[논문 리뷰] Configurable microscopic optical potentials for Bose-Einstein condensates using a digital-micromirror device

Guillaume Gauthier, Isaac C. D. Lenton외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 16.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 보즈아인슈타인 응축체(Bose-Einstein condensates)의 고해상도, 동적 설정이 가능한 광학 포획을 구현하며, 직접 영상 촬영을 통해 532 nm 빛을 사용할 경우 630(10) nm 전고도 반폭(FWHM) 해상도를 달성하고, 780 nm 빛을 사용할 경우 960(80) nm를 달성하여 이전의 DMD 기반 포획 기술 대비 7배 이상 향상된 성능을 보였다. 이 방법은 원자 분포와 시간 평균 잠재력에 대한 근접한 임의의 제어를 가능하게 하며, 가열을 최소화하여 고급 양자 가스 실험을 지원한다.

ABSTRACT

The development of novel trapping potentials for degenerate quantum gases has been an important factor driving experimental progress in the field. The introduction of spatial light modulators (SLMs) into quantum gas laboratories means that a range of configurable geometries are now possible. Here we demonstrate the production of arbitrary and dynamic high-resolution traps for Bose-Einstein condensates (BECs) using a (1200 x 1920) pixel digital-micromirror device (DMD) and commercially available microscope objectives. Direct imaging of the DMD provides significant advantages over phase-based SLMs, while still providing high resolution projected patterns. We find that atoms confined in a hybrid optical/magnetic or all-optical potential can be patterned using repulsive blue- detuned (532 nm) light with 630(10) nm full-width at half-maximum (FWHM) resolution, while imaging at 780 nm similarly achieves 960(80) nm resolution FWHM, within 5% and 8% of the diffraction limit respectively. This performance is > 7 times improved over previously reported DMD trapping. The result is near arbitrary control of the atomic distribution over the spatial extent of the BEC trapping volume. Furthermore, we produce time-averaged potentials with the DMD, demonstrating the ability to produce multiple grayscale levels with minimal heating of the atomic cloud. These techniques, along with the high level of dynamic control afforded by DMDs, will enable the realization and control of diverse optical potentials for superfluid dynamics and atomtronics applications with quantum gases.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 양자 가스를 위한 광학 잠재력을 생성하는 고도로 구성 가능하고 동적인 방법을 개발하기 위해.
• 위상 기반 공간 광학 조절기의 제한을 극복하기 위해 DMD의 직접 영상 촬영을 사용하여 해상도 향상과 간소화를 도모하기 위해.
• 초분광 해상도를 달성하는 광학 포획을 실현하여 BEC 내 원자 분포의 정밀한 제어를 가능하게 하기 위해.
• 다중 회색조 수준을 가진 시간 평균 잠재력을 생성하여 초냉각 원자 군집에서의 가열을 최소화하기 위해.
• 동적이고 고정밀 광학 잠재력 형상 조절을 통해 초순수성 역학 및 아톰트로닉스 분야의 고급 응용을 지원하기 위해.

제안 방법

• 1200 x 1920 픽셀의 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 청색 디트런치드(532 nm) 및 빨간색 디트런치드(780 nm) 레이저 빛을 광학 포획을 위해 형상 조절한다.
• 위상 조절 대신 DMD 패턴의 직접 영상 촬영을 적용함으로써 장치를 단순화하고 해상도를 향상시킨다.
• 상용 현미경 목렌드를 사용하여 DMD 패턴에 의해 형상 조절된 빛을 고수치 수차(Numerical Aperture)로 BEC에 투사함으로써 고해상도 강도 패턴을 구현한다.
• 파면 왜곡을 최소화하고 빛의 수렴성을 최적화하여 초분광 해상도를 달성한다.
• DMD 미러 상태를 빠르게 전환하여 은색조 강도 수준을 시뮬레이션함으로써 시간 평균 잠재력을 생성한다.
• 이 방법은 실시간으로 포획 기하구조를 재구성할 수 있어 복잡한 잠재력 장을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DMD 기반 시스템이 이전 DMD 구현 사례보다 현저히 높은 해상도를 가진 BEC를 위한 광학 잠재력을 생성할 수 있는가?
• RQ2 위상 기반 SLM 대비 DMD의 직접 영상 촬영이 해상도 향상과 안정성 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 DMD를 사용하여 다중 회색조 수준을 가진 시간 평균 잠재력을 생성하여 초냉각 원자 군집에서의 가열을 최소화할 수 있는가?
• RQ4 532 nm 및 780 nm 파장에서 DMD로 생성된 광학 포획의 달성 가능한 공간 해상도는 얼마인가?
• RQ5 이 시스템은 양자 시뮬레이션 응용을 위해 BEC 내 원자 분포에 대한 임의적이고 동적 제어를 가능하게 하는가?

주요 결과

• DMD 기반 시스템은 532 nm 빛을 사용할 경우 630(10) nm 전고도 반폭(FWHM) 해상도를 달성하였으며, 이는 회절 한계의 약 5% 이내이다.
• 780 nm에서 시스템은 960(80) nm FWHM 해상도를 달성하였으며, 이는 회절 한계의 약 8% 이내로, 고정밀 패턴 투영을 입증한다.
• 이 해상도 성능은 이전에 보고된 DMD 포획 기술 대비 7배 이상 향상된 것으로, 급격한 개선을 보였다.
• 이 시스템은 가열을 최소화하면서 하이브리드 광학/자기 포획 또는 전면 광학 포획에서 원자 패턴을 고해상도로 동적으로 형상 조절할 수 있다.
• 다중 회색조 수준을 가진 시간 평균 잠재력이 성공적으로 생성되었으며, 뚜렷한 원자 가열 없이 복잡한 잠재력 장을 지원한다.
• 이 방법은 BEC 포획 부피의 공간 범위 전체에 걸쳐 원자 분포에 대한 근접 임의의 제어를 가능하게 하여 고급 양자 가스 실험을 촉진한다.