[論文レビュー] Production of a rubidium Bose-Einstein condensate in a hybrid trap with light induced atom desorption

Dezhi Xiong, Fudong Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、光誘発原子脱着（LIAD）を用いて超高真空を維持することで、コンactな1個のガラスセル真空系を用いて10⁵個以上の原子を有する⁸⁷Rbボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）の生成を実証した。ハイブリッドトラップ（初期の蒸発冷却に磁気四極子トラップを、最終の冷却に光ダイポールトラップ（ODT）を組み合わせたもの）により、高い蒸発効率（α = 2.7）が達成され、ODTへの冷却開始時点で位相空間密度が3×10⁻³に達したため、9.5秒間の蒸発冷却で凝縮が形成された。

ABSTRACT

We report on the production of a rubidium Bose-Einstein condensate in a simplified vacuum apparatus. Magneto-optical traps with large numbers and ultra-high vacuum for moderately long conservative trap lifetimes of 16 seconds are sequentially obtained with light induced rapid atomic vapor pressure modulation. Subsequent evaporative cooling is carried out in two stages in a hybrid magnetic quadrupole plus optical dipole trap. High evaporation efficiencies are observed in both stages and $^{87}$Rb BECs with more than 10$^5$ atoms can be reliably produced with total evaporation time of only 9.5 seconds.

研究の動機と目的

• 新規の研究グループが利用可能な簡素化・低コストなBEC装置の開発を目的とする。
• 蒸発冷却に必要な超高真空と、磁気光収束トラップ（MOT）への十分な原子密度との間の矛盾を克服することを目的とする。
• 中程度の真空条件下でも信頼性の高いBEC生成を1個のガラスセル内で達成することを目的とする。
• ハイブリッド磁気四極子トラップと光ダイポールトラップ構成における高い蒸発効率を実証することを目的とする。

提案手法

• 反射防止被膜を施さない長方形のガラスセルを真空室として使用し、CF35法廷と接続している。
• 光誘発原子脱着（LIAD）を実装し、365 nmのUV LEDを用いてRb原子を周期的に補充することで、超高真空を維持している。
• 初期の蒸発冷却に磁気四極子トラップを用い、その後交差ビーム光ダイポールトラップ（ODT）に移行して最終冷却を実施している。
• ODTは、四極子トラップ中心より下に焦点を合わせた遠赤外周波数シフト光ビームによって形成されており、磁場ゼロ点からポテンシャル最小点をずらすことでマジョラナ損失を防止している。
• 蒸発冷却は2段階で実施：ハイブリッドトラップで強制的マイクロ波蒸発を行い、その後ODTでパワーランピングプロトコルP(t) = Pᵢ(1 + t/τ)⁻ᵝを用いてさらなる冷却を行う。
• トラップ深さとビーム焦点を調整して、ピーエックス（Pyrex）ガラスセル壁からの熱的ドリフト効果を最小限に抑え、蒸発効率はα = -log(PSD/PSD₀)/log(N/N₀)で定義されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 簡素化された真空構成と1個のガラスセル、中程度の真空条件下でもBECを信頼性高く生成できるか？
• RQ2 光誘発原子脱着（LIAD）は、MOTへの高い原子吸着を可能にしつつ、超高真空を維持するのにどの程度効果的か？
• RQ3 保存的トラップ寿命が制限された条件下で、ハイブリッド磁気四極子トラップと光ダイポールトラップ構成の蒸発効率はどの程度か？
• RQ4 ガラスセル壁からの熱レンズ効果が蒸発ダイナミクスおよびトラップ安定性にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• 100×40×40 mmの1個のガラスセル内で、保存的トラップ寿命が16秒の条件下で、10⁵個以上の原子を有する⁸⁷Rb BECが信頼性高く生成された。
• 四極子トラップでの初期段階の位相空間密度は3×10⁻³に達し、これにより最終冷却がわずか3.5秒で実現された。
• 光ダイポールトラップでの蒸発効率はα = 2.7として測定され、中程度の真空条件下でも高い冷却効率を示した。
• ハイブリッドトラップとODTの両段階を含む全体の蒸発プロセスはわずか9.5秒で完了し、凝縮は240 nK、2.7×10⁵個の原子で観測された。
• 四極子トラップからODTへの移行効率は約15%であり、最終的なトラップ周波数はx、y、z軸方向にそれぞれ2π×(98, 112, 61) Hzとして測定された。
• 3 mmのピーエックス（Pyrex）ガラスセル壁からの熱的ドリフトがビーム焦点のずれを引き起こしたが、その影響は再現可能であり、凝縮生成を妨げることはなかった。