[논문 리뷰] Three-dimensional cooling of an atom beam source for high-contrast atom interferometry

Jonathan Kwolek, Charles Fancher외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 02.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 61인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 루비디움 원자(15.0(2) µK)의 삼차원 보다 도플러 보다 낮은 냉각을 실현하는 컴팩트한 이단계 원자 비드 소스를 제시한다. 이 소스는 1.6(3)×10⁹ 개의 원자/초의 높은 유량을 제공한다. 2D+ MOT를 이용한 밀림과 함께, 강한 떨어진 주파수와 궤적 굽힘을 적용한 저속(3 m/s) 이동식 3D 광학 모라스를 통해, 원자 비드 경로를 따라 가까운 공명 형광을 최소화하여, 지속적인 램버그 간섭측정에서 고대비를 실현한다. 이는 계속 냉각이 이루어지는 상황에서도 가능하다.

ABSTRACT

We present a compact, two-stage atomic beam source that produces a continuous, narrow, collimated and high-flux beam of rubidium atoms with sub-Doppler temperatures in three dimensions, which features very low emission of near-resonance fluorescence along the atomic trajectory. The atom beam source originates in a pushed two-dimensional magneto-optical trap (2D$^+$ MOT) feeding a slightly off-axis three-dimensional moving optical molasses stage that continuously cools and redirects the atom beam. The capture velocity of the moving optical molasses is deliberately chosen to be low, $\sim 3$ m/s, to reduce fluorescence, and the cooling light is detuned by several atomic linewidths from resonance to reduce the absorption cross-section of cooling-induced fluorescence. Near-resonance light from the 2D$^+$ MOT and the push beam does not propagate to the output atomic trajectory due to a 10 degree bend in the atomic trajectory. The atomic beam emitted from the two-stage source has a flux up to $1.6(3) imes 10^9\; extrm{atoms/s}$, with an optimized temperature of $15.0(2)\;\mu$K. We employ continuous Raman-Ramsey interference measurements at the atom beam output to study the sources of decoherence in the presence of continuous cooling, and demonstrate that the atom beam source effectively preserves high fringe contrast even during cooling. This cold-atom beam source is appropriate for use in atom interferometers and clocks, where continuous operation eliminates dead time, the slow atom beam velocity (6 - 16 m/s) improves sensitivity, the narrow 3D velocity distribution improves fringe contrast, and the low reabsorption of scattered light mitigates decoherence caused by the continuous cooling process.

연구 동기 및 목표

• 실시간 양자 미측정에 적합한 연속적이고 고유량이며 삼차원 냉각 원자 비드 소스를 개발하기 위해.
• 연속적 원자 간섭측정 및 시계에서 산산이 흩어진 냉각 빛으로 인한 분해를 줄이기 위해.
• 원자 궤적을 따라 형광을 최소화하여 고프레임 대비와 긴 측정 시간을 실현하기 위해.
• 관성 및 주파수 측정의 감도 향상을 위해 원자 속도(6–16 m/s)와 비드 빔의 수렴 제어를 정밀하게 하기 위해.
• 연속적인 냉각이 램버그 간섭측정에서 양자 얽힘을 떨어뜨리지 않는가를 증명하기 위해.

제안 방법

• 밀림이 가해진 2D+ MOT는 루비디움 원자를 포착하고 사전 냉각하여 좁고 고유량의 빔을 생성한다.
• 낮은 포착 속도(~3 m/s)로 원자를 이동식 3D 광학 모라스 단계에 주입하여 형광을 감소시킨다.
• 3D 광학 모라스는 모든 세 축에서 편광 기울기 냉각을 통해 원자를 15.0(2) µK로 냉각한다.
• 원자 궤적의 10° 굽힘은 빔을 2D+ MOT와 밀림 빔으로부터 공간적으로 분리하여, 출력 경로를 따라 전파되는 가까운 공명 형광을 억제한다.
• 냉각 빛을 자연 라인폭의 수 개로 떨어지게 하여 흡수 단면적을 감소시키고 형광을 억제한다.
• 냉각이 계속되는 동안에도 연속적인 라만-램버그 간섭측정을 7.5 cm 후속 위치에서 수행하여 냉각에 의한 분해 효과를 조사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적인 3차원 냉각이 양자 얽힘의 열화 없이 컴팩트하고 고유량의 원자 비드 소스에서 실현될 수 있는가?
• RQ2 산산이 흩어진 냉각 빛이 연속적 원자 간섭측정에서 얼마나 많은 분해를 유도하는가?
• RQ3 낮은 속도, 강한 떨어진 주파수의 광학 모라스가 전통적 설정에 비해 형광에 의한 분해를 얼마나 줄이는가?
• RQ4 비드 빔의 수렴과 속도 제어가 연속 간섭측정에서 프리즘 대비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 지속적인 빔 소스에서 활성 냉각 중에도 고대비의 램버그 프리즘을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 원자 비드 소스는 3D 온도 15.0(2) µK, 유량 1.6(3)×10⁹ 개의 원자/초를 달성하여 효과적인 삼차원 서브도플러 냉각을 실현한다.
• 비드의 횡방향 가우시안 e⁻¹/₂ 반경은 1.35(5) mm로, 높은 수렴성과 공간 제어를 나타낸다.
• 10° 궤적 굽힘은 2D+ MOT와 밀림 빔에서 발생하는 가까운 공명 형광을 출력 경로를 따라 효과적으로 억제하였다.
• 연속적인 램버그 간섭측정은 활성 냉각 중에도 고대비를 유지하며, 냉각 유도 형광에 의한 최소한의 분해를 확인한다.
• 수치 모델링은 낮은 포착 속도(~3 m/s)와 강한 떨어진 주파수로 인해 산산이 흩어진 빛에 의한 분해율이 극적으로 감소함을 확인한다.
• 시스템은 사라진 시간 없이 연속 작동이 가능하여 원자 간섭측정기와 시계의 측정 대역폭과 감도를 향상시킨다.