[論文レビュー] Tracking evaporative cooling of a mesoscopic atomic quantum gas in real time

Johannes Zeiher, Julian Wolf+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 50被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、ミクロ的超低温原子系の蒸発冷却過程中のリアルタイムな原子数ダイナミクスを追跡するため、最小限の侵襲的影響を伴うキャビティ強化型連続測定技術を提案する。高精細光学キャビティを用いることで、光子のポisson分布を超える精度を達成し、非平衡フラクチュエーションおよび原子損失の二時相関を検出可能となる。これにより、量子ガスにおけるミクロ的熱力学および輸送現象を研究するための新たなプラットフォームを確立する。

ABSTRACT

The fluctuations in thermodynamic and transport properties in many-body systems gain importance as the number of constituent particles is reduced. Ultracold atomic gases provide a clean setting for the study of mesoscopic systems; however, the detection of temporal fluctuations is hindered by the typically destructive detection, precluding repeated precise measurements on the same sample. Here, we overcome this hindrance by utilizing the enhanced light--matter coupling in an optical cavity to perform a minimally invasive continuous measurement and track the time evolution of the atom number in a quasi two-dimensional atomic gas during evaporation from a tilted trapping potential. We demonstrate sufficient measurement precision to detect atom number fluctuations well below the level set by Poissonian statistics. Furthermore, we characterize the non-linearity of the evaporation process and the inherent fluctuations of the transport of atoms out of the trapping volume through two-time correlations of the atom number. Our results establish coupled atom--cavity systems as a novel testbed for observing thermodynamics and transport phenomena in mesosopic cold atomic gases and, generally, pave the way for measuring multi-time correlation functions of ultracold quantum gases.

研究の動機と目的

• 超低温原子系における破壊的測定の限界を克服し、繰り返し可能で非侵襲的な原子数ダイナミクスのモニタリングを可能にする。
• 特に蒸発冷却中に発生する非平衡フラクチュエーションおよび輸送現象を調査する。
• 閉じた原子系における原子損失の非線形ダイナミクスおよび温度依存の蒸発率を特徴付ける。
• 原子数の二時相関を測定し、量子ガスにおける輸送プロセスの確率的性質を解明する。
• 結合した原子-キャビティ系を、量子多体系における多時相相関関数を研究するための実験的基盤として確立する。

提案手法

• 高精細光学キャビティを用いて光物質結合を強化し、キャビティ透過スペクトルのエネルギー準位シフトを介した分散型で最小限の侵襲的原子数測定を実現する。
• プローブレーザー周波数をキャビティ共鳴に安定化させるために、ホモダイン検出方式とアクティブフィードバックを採用し、長時間の積分においても高い感度を維持する。
• 電圧制御発振器とアコースティックオプティカルモジュレータを用いてプローブ波と局所発振波の周波数をロックし、一定の透過光強度を維持するためのフィードバック電圧から原子数を算出する。
• アラン分散分析を用いて測定不確かさを定量し、光子のショットノイズと時間変動する原子数フラクチュエーションの寄与を分離する。
• 最適な積分時間を選択したローパスフィルタを適用し、ショットノイズと時間変動する平均原子数に起因するノイズの両方を最小化する。
• 原子数の総不確かさを、光子のショットノイズとプローブによる加熱（反動およびキャビティのバックアクション）の和としてモデル化し、最適な積分時間によって総不確かさを最小化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蒸発冷却中のミクロ的超低温原子系において、リアルタイムで連続的かつ最小限の侵襲的影響を伴う原子数ダイナミクスの測定が可能か？
• RQ2 蒸発プロセスの非線形性および温度依存の損失率が、観測された原子数フラクチュエーションにどの程度寄与しているか？
• RQ3 原子数の二時相関は、有限サイズの量子ガスにおける輸送の確率的性質をどのように明らかにするか？
• RQ4 このような系における測定精度の根本的限界は何か？また、キャビティ強化結合は自由空間測定に比べてどのように精度を向上させるか？
• RQ5 技術的ノイズおよび測定によるバックアクションは、観測ダイナミクスをどの程度歪めるか？また、それらを内在的フラクチュエーションから分離可能か？

主な発見

• 本手法は、測定された平均原子数に対してポアソン的ショットノイズ限界を下回るサブ・ポアソン的精度を達成し、原子数測定の不確かさを低減した。
• 二つの明確なダイナミクス的状態が観測された：蒸発の初期段階で温度変動によって駆動される超線形損失状態と、後期にかけて相関のない損失に近づく状態。
• 説明不能な原子数フラクチュエーションの分散は、蒸発閾値を越えた際に温度フラクチュエーションが大きな原子数フラクチュエーションに変換されることで強く影響を受ける。
• アラン分散分析により、最適積分時間約1 msで不確かさが最小化され、その後、平均原子数の時間変動に起因するτ²比例の増加が観測された。
• 原子数の最小総不確かさは、1/√(NCϵ)に比例することが判明した。ここで、Nは原子数、Cは協調性、ϵは検出効率を表す。この結果は、キャビティ強化測定の優位性を示している。
• 最小加熱温度上昇と最小原子数不確かさの間には根本的なトレードオフが存在し、その積は1/(NCϵ)で上限に制限される。この上限はトラップ深さや蒸発効率に依存しない。