A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
We present a parametric driving method to cool an ultracold Fermi gas in a crossed-beam optical dipole trap. This method selectively removes high-energy atoms from the trap by periodically modulating the trap depth with frequencies that are resonant with the anharmonic components of the trapping potential.
We present a cooling method for a cold Fermi gas by parametrically driving atomic motions in a crossed-beam optical dipole trap (ODT). Our method employs the anharmonicity of the ODT, in which the hotter atoms at the edge of the trap feel the anharmonic components of the trapping potential, while the colder atoms in the center of the trap feel the harmonic one. By modulating the trap depth with frequencies that are resonant with the anharmonic components, we selectively excite the hotter atoms out of the trap while keeping the colder atoms in the trap, generating parametric cooling. This experimental protocol starts with a magneto-optical trap (MOT) that is loaded by a Zeeman slower. The precooled atoms in the MOT are then transferred to an ODT, and a bias magnetic field is applied to create an interacting Fermi gas. We then lower the trapping potential to prepare a cold Fermi gas near the degenerate temperature. After that, we sweep the magnetic field to the noninteracting regime of the Fermi gas, in which the parametric cooling can be manifested by modulating the intensity of the optical trapping beams. We find that the parametric cooling effect strongly depends on the modulation frequencies and amplitudes. With the optimized frequency and amplitude, we measure the dependence of the cloud energy on the modulation time. We observe that the cloud energy is changed in an anisotropic way, where the energy of the axial direction is significantly reduced by parametric driving. The cooling effect is limited to the axial direction because the dominant anharmonicity of the crossed-beam ODT is along the axial direction. Finally, we propose to extend this protocol for the trapping potentials of large anharmonicity in all directions, which provides a promising scheme for cooling quantum gases using external driving.
בשני העשורים האחרונים, טכניקות קירור שונות פותחו ליצירת בוזה-איינשטיין (BEC) ו להתנוון גזי פרמי (DFG) מפני אדים חמים אטומיים 1, 2, 3, 4, 5. BEC ו DFG הם שלבי הרומן של עניין שקיימים טמפרטורות נמוכות מאוד, בדרך כלל מיליונית המעלה מעל האפס המוחלט טמפרטורה, הרבה מתחת לאלו בדרך כלל נמצא על כדור הארץ או בחלל. כדי להשיג בטמפרטורות נמוכות כאלה, שיטות הקירור ביותר להסתמך על הפחתת פוטנציאל לכידה כדי evaporatively לקרר אטומים. עם זאת, התכנית להורדה גם מקטינה את שיעור ההתנגשות של האטומים, אשר מגביל את יעילות הקירור כאשר הגז מגיע משטר הקוונטים 6. במאמר זה, אנו מציגים שיטה "גירוש" אל evaporatively לקרר גז פרום קר בתוך ODT ללאהורדת העומק מלכודת. שיטה זו מבוססת על המחקר שנערך לאחרונה שלנו של פרמטרי קירור 7, מראה כמה יתרונות לעומת התוכניות להורדת 7, 8, 9.
הרעיון המרכזי של תכנית פרמטרית הוא להעסיק את anharmonicity של ODT-הקרן חצתה, מה שהופך את האטומים החמים ליד קצה הפוטנציאל הלכיד להרגיש את התדרים לכידים הנמוכים יותר האטומים הקרים במרכז. anharmonicity זה מאפשר האטומים החמים יגורשו סלקטיבי מהמלכודת כאשר ויסות פוטנציאל הלכידה בתדירויות תהודה עם אטומי בעלי האנרגיה גבוהה.
פרוטוקול הניסוי של קירור פרמטרית דורש גז טרום מקורר noninteracting פרום ליד הטמפרטורה המנוונת. כדי ליישם פרוטוקול זה, אפנן acousto אופטיים (AOM) משמש לווסת את עוצמת קרני לכידה ידי controlling אפנון תדר, עומק וזמן. כדי לאמת את אפקט הקירור, הענן האטום הוא נחקר על ידי הדמיה הקליטה של זמן של הטיסה (TOF), שבו קרן לייזר התהודה מאירה את הענן האטום ואת הצל הקליטה הוא נתפס על ידי מכשיר תשלום מצמידים מצלמה (CCD). מאפייני הענן, כגון מספר האטום, אנרגיה, טמפרטורה, נקבעים על ידי צפיפות הטור. כדי לאפיין את אפקט הקירור, אנו מודדים את התלות של אנרגיות ענן על פי האפנון השונה.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
הערה: פרוטוקול זה דורש מנגנון אטום קרים במיוחד בנוי הבית כולל את הציוד הבא: שני לייזרים דיודה חלל חיצוני (ECDL), התקנה נעילה עבור ECDL לקזז תדירות נעילה 10, בלייזר סיב עבור ODT, גידול AOM עבור אפנון עוצמת הלייזר , מערכת אנטנת רדיו תדר (RF) עם מחולל מקור ומגבר כוח, מערכת הדמיה קליטה עם מצלמת CCD, תוכנת מחשב עבור תזמון רכישת רצף ונתונים (DAQ), תוכנת מחשב עבור ניתוח ועיבוד נתוני הדמיה, זוג אלקטרומגנטים עבור שדות מגנטיים MOT והטיית, וכן בתא ואקום ultrahigh כולל תנור 6 Li אדי וכן זימן איטי (שמוצג באיור 1).
זהירות: שלושה לייזרים של כוחות באורכי גל שונים משמשים. אנא להתייעץ גיליונות נתוני בטיחות לייזר רלוונטי ולבחור את משקפי בטיחות לייזר הנכון.
1. תזמון המשךrol
הערה: כל רצפי תזמון נשלטים על ידי כרטיס 128 ערוץ PCI DAQ באמצעות תוכנית מלאה העיתוי. הרזולוציה של רצף העיתוי הוא 100 מיקרו-שניות. תוכניות בקרת המכשור כמה משמשים לשליטה בהגדרות של מכשירים, כגון גנרטור פונקציה שרירותית לייזר סיב (AFG), ODT AFG, גנרטור הדופק שרירותי (APG), AFG אפנון פרמטרית, מרבב MOT, מחולל RF, וכו.
2. מצלמת CCD כן
הערה: מצלמת CCD משמשת כדי להקליט את ההדמיה הקליטה של האטומים הקרים, המהווה את כלי האבחון העיקריים של אטומים קרים.
3. 671 ננומטר הכנה לייזר
הערה: ECDL תדר יחיד 671 ננומטר עם כוח פלט 500 mW משמש ליצירת התקררות MOT וקורות לכידה. עוד 671 ננומטר ECDL של 35 mW משמש הדמיה קליטה. שיטת אפנון הנוכחי דיגיטלי ליזר (DLCM)מוחל על ייצוב תדר לייזר 10. רמות האנרגיה 6 Li הקשורים מוצגות איור 3 א. יציבות הטמפרטורה בחדר של C ° 20 ± 1 נדרשת יציבות אופטימלית של נעילה תדר הלייזר.
קליטת 4. הכנת הדמיה
הערה: האטומים נחקרו עם הדמיה קליטה, אשר צריך שתי מסגרות תמונה. האחת עם האטומים היא מסגרת האות, והשנייה בלי אטומים היא הייחוס.
5. אטומי קירור עם MOT
הערה: MOT היא שיטת קירור בשימוש נרחבת בניסויים אטומים קרים במיוחד. סעיף זה יוצר MOT של כמיליארד 6 Li אטומים בסביבות 300 μK.
6. הכנת גז פרמי Ultracold עם ODT
7. קירור פרמטריים
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
שימוש בפרוטוקול זה, אנחנו לומדים את התלות של קירור פרמטרית על הזמן אפנון עם תדירות אפנון משרעת אופטימיזציה, אשר שניהם נקבעו בפרסום הקודם שלנו 7. אנחנו ראשונים להכין גז פרמי noninteracting של 6 אטומים ליתיום בשתי מדינות hyperfine הנמוכות ביותר...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
אנו מציגים פרוטוקול ניסוי עבור קירור פרמטרית של גז פרמי noninteracting במלכודת אופטית-קרן חצתה. השלבים הקריטיים של פרוטוקול זה כוללים: ראשית, גז פרמי האופטית-לכודים צריך להיות מקורר קרוב הטמפרטורה המנוונת ידי הפחתת העומק מלכודת. שנית, תדר אפנון נבחר כי הוא תהודה עם רכיב anharmo...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
The authors have nothing to disclose. Specific product and company citations are for the purpose of clarification only and are not an endorsement by the authors.
We thank Ji Liu and Wen Xu for involving in the experimental setup. Le Luo is a member of the Indiana University Center for Spacetime Symmetries (IUCSS). This work was supported by IUPUI and IUCRG.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
500 mW 671 nm ECDL | Toptica | TA Pro | Quantity: 1 |
35 mW 671 nm ECDL | Toptica | DL-100 | Quantity: 1 |
671 nm AOM | Isomet | 1206C | Quantity: 3 |
671 nm AOM Driver | Isomet | 630C-110 | Quantity: 3 |
100 W 1,064 nm CW laser | IPG photonics | YLR-100-1064-LP | Quantity: 1 |
1,064 nm AOM | IntraAction | ATM-804DA6B | Quantity: 1 |
1,064 nm AOM Driver | IntraAction | ME-805EH | Quantity: 1 |
Arbitrary Function Generator | Agilent | 33120A | Quantity: 3 |
Digital I/O Board | United Electronic Industries | PD2-DIO-128 | Quantity: 1 |
System Design Platform | National Instruments | LabVIEW | Quantity: 1 |
Analog Voltage Output Device | Measurement Computing | USB-3104 | Quantity: 1 |
CCD Camera | Hamamatsu | Orca R2 | Quantity: 1 |
Arbitrary Pulse Generator | Quantum Composer | 9618+ | Quantity: 1 |
Analog Voltage Output Device | Measurement Computing | USB-3104 | Quantity: 1 |
20 A power supply | Quantity: 1 | ||
10 A power supply | Quantity: 1 | ||
120 A power supply | Quantity: 2 | ||
Cooling Fans | Quantity: depends on apparatus design | ||
671 nm Mirrors | Quantity: depends on apparatus design | ||
671 nm Half-wave Plate | Quantity: depends on apparatus design | ||
671 nm Quarter-wave Plate | Quantity: depends on apparatus design | ||
500 mW Beam Shutter | Quantity: depends on apparatus design | ||
671 nm Lenses | Quantity: depends on apparatus design | ||
Faraday Isolator | Quantity: 2, one for each ECDL | ||
671 nm Polarizing Beam Splitter | Quantity: depends on apparatus design | ||
Photodetector | Thorlabs | SM05PD1A | Quantity: 1 |
Multiplexer | Analog Devices | ADG409 | Quantity: 1 |
Multiplexer | Analog Devices | ADG408 | Quantity: 2 |
1,064 nm plano-concave lens | Quantity: 1 for beam reducer | ||
1,064 nm plano-convex lens | Quantity: 1 for beam reducer | ||
1,064 nm Mirrors | Quantity: depends on apparatus design | ||
1,064 nm Half-wave Plates | Quantity: depends on apparatus design | ||
1,064 nm Lenses | Quantity: depends on apparatus design | ||
1,064 nm Thin Film Polarizer | Quantity: 1 | ||
100 W, 1,064 nm Beam Dump | Quantity: 1 | ||
100 W, 1,064 nm Power Meter | Quantity: 1 | ||
RF Function Generator | Rigol | DG4162 | Quantity: 1 |
RF Power Amplifier | Mini-Circuits | ZHL-100W-GAN+ | Quantity: 1 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved