[論文レビュー] Photon Counting for Bragg Spectroscopy of Quantum Gases

Juan Miguel Rey Pino, R. J. Wild+3 more|CU Scholar (University of Colorado Boulder)|Dec 7, 2010

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超低温量子ガスにおけるブレッグ分光法のための光子数計数技術を提示する。ヘテロダイン検出を用いて弱いブレッグレーザー光ビーム内の光子数の変化を測定し、ほぼショットノイズ限界に近い感度を達成している。この手法により、1回のレーザーパルス中におけるブレッグ励起ダイナミクスの直接的かつ時間分解能のある測定が可能となり、特に従来のイメージング法が失敗する強い相互作用系や低運動量励起系において、時間飛行イメージングとは補完的な代替手段を提供する。

ABSTRACT

We demonstrate a photon-counting technique for detecting Bragg excitation of an ultracold gas of atoms. By measuring the response of the light field to the atoms, we derive a signal independent of traditional time-of-flight atom-imaging techniques. With heterodyne detection we achieve photon shot-noise limited detection of the amplification or depletion of one of the Bragg laser beams. Photon counting for Bragg spectroscopy will be useful for strongly interacting gases where atom-imaging detection fails. In addition, this technique provides the ability to resolve the evolution of excitations as a function of pulse duration.

研究の動機と目的

• 時間飛行原子イメージングに依存しないブレッグ分光法の光子数計数法の開発。これは、強い相互作用系や低運動量励起領域では失敗する。
• 弱いブレッグビーム内の光子数変化をショットノイズ限界で検出することにより、原子励起強度の定量的測定を可能にする。
• 1回のレーザーパルス中におけるブレッグ励起ダイナミクスのリアルタイムモニタリングを可能にし、従来のイメージング法では得られない時間依存的挙動を解明する。
• 従来の時間飛行イメージングを補完する測定手法を提供し、超低温原子実験における検証と拡張を可能にする。

提案手法

• 高感度で動作するヘテロダイン検出方式を用いて、弱いブレッグレーザー光ビームの振幅を測定し、ショットノイズ限界での光子数計数を実現する。
• 原子による共鳴2光子吸収または発光に起因する1つのブレッグビーム内の光子数変化を測定することで、原子-光の相互作用を直接プローブする。
• パルス中の時間変化する光子率と平均バックグラウンド率の差を積分することで信号を抽出する。
• 時間飛行イメージングと同時にデータ取得することで、両手法の直接的比較と検証が可能となる。
• 高周波数ノイズを抑制するためにローパスフィルタを用いるが、1 μs未満のパルス持続時間ではノイズが不自然に低減される。
• 85 Rbボーズ＝アインシュタイン凝縮（~5.5×10⁴原子）を用いたシステムキャリブレーションを行い、さまざまなビーム強度とパルス持続時間で手法の検証が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子数計数は、超低温量子ガスにおけるブレッグ励起測定の面で時間飛行イメージングの代替として実用的であるか？
• RQ2 原子励起に起因するレーザー光ビーム強度の微小変化を検出するにあたり、光子数計数がどの程度ショットノイズ限界に近い感度を達成できるか？
• RQ3 光子数計数を用いることで、1回のレーザーパルス中におけるブレッグ励起の時間発展を解像可能か？また、どのようなダイナミクスが明らかになるか？
• RQ4 光子数計数で得られたブレッグラインシープの非対称性は、検出された光子数や原子系のパラメータとどのように関係しているか？
• RQ5 低運動量移動や強い相互作用を示す系では、光子数計数法にどのような限界があるか？また、それらはイメージング法と比較してどう異なるか？

主な発見

• 光子数計数技術は、広いパルス持続時間範囲でほぼショットノイズ限界の検出感度を達成しており、ノイズはショットノイズ限界の2倍以内に収束している。
• 1 μsを超えるパルス持続時間では、測定ノイズがショットノイズ限界と整合的であるが、それ未満の短いパルスでは、組み込みのローパスフィルタによりノイズが不自然に低減されている。
• この手法により、ブレッグ励起の時間発展が明確に解像され、0.3 ms未満のパルスでは信号が抑制されていることが確認された。これは、+kおよび-k遷移の量子干渉に起因するもので、ブレッグ共鳴周波数の逆数に一致する。
• 同時に取得された時間飛行イメージングと比較したところ、光子数計数による測定で得られたブレッグラインシープが良好に一致し、手法の正確性が検証された。
• 上昇部と下降部のラインシープの非対称性が観測されたが、これは弱いビーム内の光子数が顕著な割合を占める場合の伝搬効果に起因する可能性が高い。
• この手法により、パルス内での励起ダイナミクスの直接観測が可能となり、従来のイメージング法では得られない非単調な挙動や干渉効果が明らかになった。