[论文解读] Enhanced observation time of magneto-optical traps using micro-machined non-evaporable getter pumps

Rodolphe Boudot, J. P. McGilligan+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 50被引用 33

一句话总结

本文证明，激光激活的非蒸发性吸附泵（NEGs）能显著延长磁光陷阱（MOT）的观测时间：在只有一个 NEG 的 MEMS 细胞中可达约 10 分钟，在具有五个 NEGs 的玻璃吹制腔体中则超过 4 天，且仅使用被动泵浦。

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.

研究动机与目标

• 通过减少对有源泵浦的依赖，推动冷原子装置真空系统的微型化。
• 在微加工和玻璃吹制的超高真空（UHV）腔体中，演示激光激活的 NEGs 对 MOT 观测时间的影响。
• 在 NEGs 的被动泵浦下，量化 MOT 衰减动力学与背景压力。
• 评估基于 NEG 的被动泵浦在芯片尺度原子仪器中的可扩展性与长期稳定性。

提出的方法

• 制造具嵌入式 NEG 空腔的 MEMS MOT 细胞，其窗口为 silicon/ASG，并通过激光加热激活单个 NEG。
• 使用碱金属供给源运行铷 MOT，并监测 MOT 荧光及装载曲线。
• 在 NEG 激活后关闭外部离子泵，以研究被动泵浦性能。
• 在带有五个 NEGs 的硼硅玻璃吹制腔中，按序激活 NEGs 并测量 MOT 衰减和背景压力。
• 使用指数模型分析 MOT 衰减以提取 MOT 与真空压力动态的时间常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 MEMS 和玻璃腔中，使用激光激活的 NEGs 在无主动泵浦的情况下，MOT 的观测时间能延长到多长？
• RQ2 NEG 激活如何在短期和长期内影响背景压力以及 Rb/非Rb 气体的动力学？
• RQ3 在被动泵浦条件下，激活的 NEG 数量与真空寿命之间的关系是什么？
• RQ4 在微型真空环境中，被动泵浦的 NEGs 能否支持 MOT 多日运行？
• RQ5 将 NEG 基础真空寿命扩展应用于 MEMS 磁光冷原子传感器的可扩展性有哪些影响？

主要发现

• 单个激光激活的 NEG 将 MEMS 细胞中的 MOT 观测时间从约 ~10 s 延长至 >10 分钟。
• 在带有五个 NEGs 的玻璃吹制比色皿腔中，MOT 在被动泵浦下仍可见超过 4 天。
• NEG 激活增加了真空时间常数，最终压力上升变得更慢并达到新的稳态。
• NEG 激活后的 MOT 衰减最好用初始期前后的双指数行为来描述，时间常数较长（在 MEMS 中约 ~11 s 和 ~109 s；在玻璃腔中约 ~10 s 和 ~70 s）。
• 当离子泵重新激活时 MOT 复现，随后对 NEG 的再次激活在泵浦循环后逐步提高 MOT 原子数。
• 长期测量显示，在五 NEG 的玻璃腔中，MOT 持续存在超过 3.5×10^5 s（超过 4 天），尽管存在氦透过等因素。