Журнал экспериментальной и теоретической физики №4 2018 (1537,20 руб.)

Стр.1

Стр.2

Стр.3

ЖЭТФ, 2018, том 153, вып. 4, стр. 531–537 c 2018 ВЛИЯНИЕ ПУЧКА, НАПРАВЛЯЕМОГО В ЗЕЕМАНОВСКИЙ ЗАМЕДЛИТЕЛЬ, НА ЗАХВАТ АТОМОВ КРИПТОНА МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ ЛОВУШКОЙ С. Сингх*, В. Б. Тивари, С. Р. Мишра, Х. С. Рават Отделение прикладной лазерной физики, Центр прогрессивных технологий им. Раджи Раманны 452013, Индаур, Индия Поступила в редакцию 12 апреля 2017 г. (Перевод с английского) EFFECT OF ZEEMAN SLOWER BEAM ON LOADING OF A KRYPTON MAGNETO-OPTICAL TRAP S. Singh, V. B. Tiwari, S. R. Mishra, H. S. Rawat Исследуется влияние мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, на скорость захвата и потери атомов за счет столкновений в атомном пучке криптона, попадающем в магнитооптическую ловушку. Результаты показывают, что увеличение мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, сначала увеличивает скорость захвата магнитооптической ловушкой и уменьшает потери атомов за счет фоновых столкновений, а это увеличивает число холодных атомов в магнитооптической ловушке до оптимального значения. При дальнейшем увеличении мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, число холодных атомов в магнитооптической ловушке уменьшается из-за увеличения потерь атомов за счет фоновых столкновений и уменьшения скорости захвата атомов ловушкой. При этом наблюдалось, что при изменении мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, потери атомов за счет столкновений с холодными атомами сохраняются. Таким образом, настоящее исследование подчеркивает необходимость оптимизации мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, для захвата максимального числа холодных атомов из атомного пучка в магнитооптической ловушке. DOI: 10.7868/S0044451018040016 Охлажденные лазером атомы благородных газов с высокой внутренней энергией, такие как криптон, представляют собой полезные объекты для исследований, связанныхсо столкновениями с холодными атомами [1, 2], физикой ионизации [3, 4], нанолитографией [5], анализом следовыхколичеств атомов, удерживаемыхв ловушке (АТТА) [6], и обнаружением темной материи [7]. Охлаждение и захват атомов криптона, а также другихблагородных газов в основном состоянии представляются сложным из-за отсутствия лазеров, излучающихв области вакуум* E-mail: surendra@rrcat.gov.in 531 ного ультрафиолета. Поэтому обычно используются атомы криптона в первом возбужденном состоянии, отстоящем приблизительно на 10 эВ от основного состояния. Охлаждение и захват атомов криптона возможны в метастабильном состоянии 4p55s[3/2]2 (время жизни около 40 с) путем возбуждения атома в лежащее выше состояние 4p55p[5/2]3 с помощью облучения лазером с длиной волны 811.5 нм. Метастабильное состояние атомов криптона (обозначенное как Kr∗) может быть получено методом радиочастотного разряда [8]. До захвата магнитооптической ловушкой метастабильные горячие атомы криптона (Kr∗), образующиеся в радиочастотном разряде, предварительно охлаждаются в зеемановском замедлителе [9]. В зеемановском замед

Стр.1

С. Сингх, В. Б. Тивари, С. Р. Мишра, Х. С. Рават ЖЭТФ, том 153, вып. 4, 2018 Gas flow Control valve C1 RF discharge Kr gas Pump Kr* atomic beam Kr*-MOT C2 C3 Zeeman Slower (ZS) EC MOT beams C4 Z1S Z2S MOT coils ZS beams Pump Рис. 1. Схема экспериментальной установки зеемановского замедлителя, замедляющего метастабильные атомы криптона перед захватом их магнитооптической ловушкой. ЕС, С1, С2, С3 и С4 — соответственно катушка экстракции, камера впуска газа, камера анализа, камера накачки и магнитооптическая ловушка метастабильного криптона лителе лазерный пучок (называемый ниже пучком, направляемым в зеемановский замедлитель), который распространяется в направлении, противоположном направлению атомного пучка из радиочастотной разрядной трубки, используется для замедления атомов в присутствии пространственнонеоднородного магнитного поля соленоида. Частота излучения пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, настраивается таким образом, что доплеровский сдвиг частоты лазера зеемановского замедлителя для движущихся атомов компенсируется зеемановским сдвигом атомной частоты перехода. Это приводит к резонансному взаимодействию лазерного пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, с быстро движущимися атомами на всем протяжении длины соленоида. Благодаря большому потоку атомов и возможности замедлять атомы до скоростей меньших, чем скорость захвата атомов магнитооптической ловушкой, зеемановские замедлители стали очень популярны и широко используются для захвата магнитооптической ловушкой. Основной упор при этом делался на оптимизацию конструкции зеемановского замедлителя для улучшения захвата магнитооптической ловушкой [10,11]. Цель настоящей работы — показать, что на динамику захвата ловушкой может также существенно влиять мощность пучка, направляемого в зеемановский замедлитель. В настоящей работе исследуется влияние мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, на скорость захвата и потери атомов за счет столкновений в атомном пучке метастабильного криптона, попадающего в магнитооптическоую ловушку. Полученные нами экспериментальные результаты четко показывают, что мощность пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, может 532 изменять скорость захвата ловушкой так же, как потерю атомов за счет фоновыхстолкновений. Для получения максимального числа атомов в магнитооптической ловушке существует оптимальное значение мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, которое приводит к увеличению скорости захвата магнитооптической ловушкой и уменьшению фоновыхпотерь захваченныхатомов за счет столкновений. Схематическое изображение криптоновой магнитооптической ловушки, используемой в настоящей работе, показано на рис. 1. Эта установка аналогична используемой в нашей более ранней работе [12]. Атомы, замедленные пучком лазера, направляемым в зеемановский замедлитель, охлаждаются и захватываются в камере магнитооптической ловушки тремя парами встречныхциркулярно поляризованныхлазерныхпучков в присутствии квадрупольного магнитного поля. Если частота излучения лазерного пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, настроена близко к резонансной частоте, то захваченный атом может быть выбит из магнитооптической ловушки [13]. Во избежание этого, мы использовали пучок, направляемый в зеемановский замедлитель, состоящий из пары концентрических полыхпучков разныхдиаметров. Это увеличило захват холодных атомов за счет меньшего разрушения облака холодных атомов в магнитооптической ловушке. Использование полого пучка большего диаметра также улучшило захват магнитооптической ловушкой благодаря лучшему охлаждению атомов, не лежащихна оси пучка, выходящего из зеемановского замедлителя. Холодное атомное облако было сформировано в темной центральной области полых пучков, направляемыхв зеемановский замедлитель. Диаметр темного пятна, используемого для генера

Стр.2

ЖЭТФ, том 153, вып. 4, 2018 Влияние пучка, направляемого в зеемановский замедлитель. . . ции первого полого пучка, был приблизительно равен 1 мм. Второй полый пучок был сгенерирован с использованием пары аксиконов с диаметром от пика до пика приблизительно 7 мм и шириной кольца приблизительно 1.5 мм. Число холодных атомов максимизировали путем изменения мощности первого полого пучка, при этом мощность второго полого пучка сохранялась равной 5 мВт при всех измерениях. Слабый зондирующий лазерный луч от лазера ECDL (DL 100L, Toptica, Германия) пропускали через камеру магнитооптической ловушки в направлении, перпендикулярном направлению распространения атомного пучка. Индуцированное лазером флуоресцентное излучение от атомного пучка регистрировалось на калиброванном фотодиоде для оценки числа атомов 84Kr∗. Число атомов 84Kr∗ в атомном пучке дается формулой Na = 4π hc λ Ω Pf γsc , где Pf — мощность флуоресценции, регистрируемая на откалиброванномфотодиоде, h — постоянная Планка, λ — резонансная длина волны, c —скорость света, Ω — телесный угол, стягиваемый поверхностью детектора в центре атомного пучка. Концентрация частиц 84Kr∗ (na) оценивалась посредством деления числа атомов 84Kr∗ на объем области пересечения атомного пучка и зондирующего лазерного луча. Число холодных атомов в магнитооптической ловушке оценивалось с помощью детектирования ПЗС-матрицей флуоресценции облака захваченных магнитооптической ловушкой атомов [12]. Число холодныхатомов N в атомном облаке было определено по полученному ПЗС-матрицей изображению с помощью соотношения N = 8π 1+6 I где Is — интенсивность насыщения, I — интенсивность каждого охлаждающего пучка в магнитоопΓ6 I Is texpηΩ Is +4ΔL Γ 2 Nc, (1) N(10 )6ƀ 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 Время, с Рис. 2. Кривая захвата 84Kr∗ в магнитооптическую ловушку для фиксированных мощностей пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, равных PZS1 =25 мВт и PZS2 =5 мВт. Кривая со случайными отклонениями — экспериментально наблюдаемый сигнал флуоресценции от облака магнитооптической ловушки, зарегистрированный с помощью фотодиода; гладкая непрерывная кривая — результат наилучшей подгонки наблюдаемых данных. γ =1.35 с−1, β =4 · 10−10 см3· с−1 Мы исследовали влияние мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель, на потери атомов, связанные со столкновениями в магнитооптической ловушке, анализируя кривые захвата магнитооптической ловушкой (как показано на рис. 2) для разныхвеличин мощности пучка, направляемого в зеемановский замедлитель. Изменение во времетической ловушке, Γ=2π · 5.56 МГц — естественная ширина линии охлаждающего перехода для 84Kr∗, ΔL — отстройка лазера, Nc — полное число отсчетов на ПЗС-матрице, η — квантовая эффективность ПЗС-матрицы, Ω — телесный угол, стягиваемый поверхностью собирающей линзы, используемой для фокусировки изображения на ПЗС-матрице в течение времени экспозиции texp. 533 где L — скорость захвата магнитооптической ловушкой, γ — коэффициент потери атомов из ловушки за счет столкновений с фоновыми атомами, n —концентрация атомов в облаке магнитооптической ловушки, β — коэффициент потери атомов из ловушки за счет парныхстолкновений с холодными атомами внутри облака магнитооптической ловушки. Во время захвата магнитооптической ловушкой dN dt = L − γN − β  n2d3r, мы наблюдали линейный рост концентрации атомов в ней с увеличением числа атомов, захваченных магнитооптической ловушкой. Это указывает на то, что магнитооптическая ловушка работает в режиме постоянного объема. Тогда распределение концентрани числа захваченных атомов (N), в облаке атомов 84Kr∗ в магнитооптической ловушке дается выражением (2)

Стр.3