[論文レビュー] Three-dimensional cooling of an atom beam source for high-contrast atom interferometry

Jonathan Kwolek, Charles Fancher+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 61被引用数 24

ひとこと要約

本論文では、高いフラックス（1.6(3)×10⁹ 個/秒）でルビジウム原子の三次元サブドップラー冷却（15.0(2) µK）を実現するコンパactで二段階構造の原子ビーム源を提案する。2次元＋MOT（2D+ MOT）を用いたプッシュ方式に続く、低速度（3 m/s）で移動する三次元光捕集装置（optical molasses）を用い、強い周波数オフセットと軌道の湾曲を組み合わせることで、ビーム経路に沿った共鳴励起蛍光を最小限に抑える。これにより、冷却が継続中でも高コントラストな連続ラマーシュ干渉計測定が可能となる。

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.

研究の動機と目的

• リアルタイム量子メトロロジーに適した連続的で高フラックスな三次元冷却原子ビーム源の開発を目的とする。
• 連続的原子干渉計測定および時計における冷却光の散乱によるデ coherent 状態の劣化を低減することを目的とする。
• 原子軌道に沿った蛍光を最小限に抑えることで、高縞コントラストと長時間の測定を実現することを目的とする。
• 原子速度（6–16 m/s）とビームの収束制御を精密に行い、慣性測定および周波数測定の感度を向上させることを目的とする。
• 連続冷却がラマーシュ干渉計における量子コheren に悪影響を及げないことを実証することを目的とする。

提案手法

• プッシュ付き2次元＋MOT（2D+ MOT）がルビジウム原子を捕らえ、予冷却することで、狭い幅と高フラックスのビームを生成する。
• 原子は低捕獲速度（約3 m/s）の移動型三次元光捕集装置に注入され、蛍光を低減する。
• 三次元光捕集装置が偏光勾配冷却を全三次元で行い、原子を15.0(2) µKまで冷却する。
• 原子軌道に10°の湾曲を加えることで、2D+ MOTおよびプッシュビームからの蛍光を出力経路から空間的に分離する。
• 冷却光を自然ライン幅の複数倍のオフセットにすることで、吸収断面積を低減し、蛍光を抑制する。
• 冷却が継続中の状態で、7.5 cm下流で連続ラマーシュ干渉計測定を実施し、冷却光によるデ coherent 状態の劣化を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで高フラックスな原子ビーム源において、連続的な三次元冷却が量子コheren に悪影響を及げることなく実現可能か？
• RQ2 散乱冷却光が連続的原子干渉計測定にどの程度デ coherent 状態を劣化させるか？
• RQ3 低速度で強く周波数オフセットをとった光捕集装置は、従来の構成と比較して、蛍光誘発デ coherent 状態劣化をどの程度低減できるか？
• RQ4 ビームの収束性および速度制御が、連続干渉計測定における縞コントラストに与える影響は何か？
• RQ5 連続ビーム源において、冷却が進行中でも高コントラストのラマーシュ縞を維持できるか？

主な発見

• 原子ビーム源は、フラックス1.6(3)×10⁹ 個/秒、3次元温度15.0(2) µKを達成し、効果的な三次元サブドップラー冷却が実証された。
• ビームの横断的ガウス分布のe⁻¹/₂半径は1.35(5) mmであり、高い収束性と空間的制御性を示している。
• 10°の軌道湾曲により、2D+ MOTおよびプッシュビームからの共鳴励起蛍光が出力経路に強く抑制された。
• 連続ラマーシュ干渉計測定では、冷却が継続中でも高縞コントラストが得られ、冷却光に起因する蛍光によるデ coherent 状態劣化が最小限であることが確認された。
• 数値モデルにより、低捕獲速度（約3 m/s）と強い周波数オフセットが、散乱光に起因するデ coherent 状態劣化率を顕著に低減することが確認された。
• システムはデッドタイムなしの連続動作が可能であり、原子干渉計および時計における測定帯域幅と感度が向上した。