[논문 리뷰] Enhanced observation time of magneto-optical traps using micro-machined non-evaporable getter pumps

Rodolphe Boudot, J. P. McGilligan외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 50인용 수 33

한 줄 요약

본 논문은 레이저 활성화 비증발 게터 펌프(NEGs)가 자발적 펌핑만으로 MOT 관찰 시간을 크게 늘린다는 것을 보여주며, 단일 NEG가 있는 MEMS 셀에서 최대 10분, 다섯 개의 NEG가 있는 유리로 형성된 셀에서 4일 이상까지 확장된다.

ABSTRACT

We show that micro-machined non-evaporable getter pumps (NEGs) can extend the time over which laser cooled atoms canbe produced in a magneto-optical trap (MOT), in the absence of other vacuum pumping mechanisms. In a first study, weincorporate a silicon-glass microfabricated ultra-high vacuum (UHV) cell with silicon etched NEG cavities and alumino-silicateglass (ASG) windows and demonstrate the observation of a repeatedly-loading MOT over a 10 minute period with a single laser-activated NEG. In a second study, the capacity of passive pumping with laser activated NEG materials is further investigated ina borosilicate glass-blown cuvette cell containing five NEG tablets. In this cell, the MOT remained visible for over 4 days withoutany external active pumping system. This MOT observation time exceeds the one obtained in the no-NEG scenario by almostfive orders of magnitude. The cell scalability and potential vacuum longevity made possible with NEG materials may enable inthe future the development of miniaturized cold-atom instruments.

연구 동기 및 목표

• 진공 시스템의 소형화를 통해 냉동-원자 장치의 능력을 높이려면 능동 펌핑에 대한 의존도를 줄여야 한다.
• 마이크로패터링된 및 유리-블로우(UHV) 셀에서 레이저 활성화된 NEGs의 MOT 관찰 시간에 미치는 효과를 입증한다.
• NEGs를 통한 수동 펌핑 하에서 MOT 붕괴 동역학 및 배경 압력을 정량화한다.
• 칩 규모 원자 기기의 NEG 기반 수동 펌핑의 확장성 및 수명 평가를 한다.

제안 방법

• 실리콘/ASG 창에서 내재된 NEG 공동을 가진 MEMS MOT 셀을 제작하고 하나의 NEG를 레이저 가열로 활성화한다.
• 알카리 금속 디스펜서를 사용해 루비듐 MOT를 작동시키고 MOT 형광 및 로딩 곡선을 모니터링한다.
• NEG 활성화 후 외부 이온 펌프를 차단하여 수동-펌핑 성능을 연구한다.
• 다섯 개의 NEG가 있는 보로실리케이트 유리-블로운 셀에서 차례로 NEG를 활성화하고 MOT 붕괴 및 배경 압력을 측정한다.
• 지수 모델을 사용해 MOT 붕괴를 분석하고 MOT 및 진공 압력 역학의 시간 상수를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 활성화된 NEGs를 이용한 MEMS 및 유리 셀에서 능동 펌핑 없이 MOT 관찰 시간이 얼마나 연장될 수 있는가?
• RQ2 NEG 활성화가 배경 압력 및 단기/장기 가스 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 활성화된 NEG의 수와 수동-펌핑 영역에서의 진공 수명 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 미니어처 진공 환경에서 NEGs를 이용한 수동 펌핑이 며칠간 MOT를 가능하게 하는가?
• RQ5 NEG 기반 진공 수명 연동으로 MEMS 기반 냉동-원자 센서의 확장성에 어떤 함의가 있는가?

주요 결과

• 단일 레이저 활성화 NEG가 MEMS 셀의 MOT 관찰 시간을 약 10초에서 >10분으로 연장한다.
• 다섯 개의 NEG가 있는 유리-블로운 큐벳 셀에서 수동 펌핑 하 MOT가 4일 이상 보인다.
• NEG 활성화는 진공 시간 상수를 증가시키며 최종 압력은 더 느리게 상승하고 새로운 정상 상태에 도달한다.
• MOT 붕괴는 초기 기간 이전과 이후의 이중 지수 거동으로 가장 잘 설명되며 시간 상수는 MEMS에서 대략 ~11 s 및 ~109 s, 유리 셀에서 ~10 s 및 ~70 s이다.
• 이온 펌프를 재가동하면 MOT 회복이 일어나고, 이후의 NEG 활성화들은 펌프 사이클 이후 MOT 원자 수를 점진적으로 개선한다.
• 장기 측정에서 다섯 NEG의 유리 셀에서 MOT 지속이 3.5×10^5 s를 넘겨 4일 이상 지속되며 He 확산 고려에도 불구하고 유지된다.