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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.
Negli ultimi due decenni, varie tecniche di raffreddamento sono state sviluppate per la generazione di condensati di Bose-Einstein (BEC) e degenerare gas di Fermi (DFG) da vapori atomici caldi 1, 2, 3, 4, 5. BEC e DFG sono nuove fasi della materia che esistono in temperature estremamente basse, solitamente un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto, nettamente inferiori a quelli normalmente presenti sulla Terra o nello spazio. Per ottenere tali temperature basse, la maggior parte dei metodi di raffreddamento si basano sulla riduzione del potenziale intrappolamento per raffreddare gli atomi per evaporazione. Tuttavia, lo schema abbassamento diminuisce anche il tasso di collisione degli atomi, che limita l'efficienza di raffreddamento quando il gas raggiunge il regime quantistico 6. In questo articolo, presentiamo un metodo "espulsione" raffreddare per evaporazione un gas ultrafreddi Fermi in un colpo ODTabbassando la profondità trappola. Questo metodo si basa sulla nostra recente studio parametrico di raffreddamento 7, che mostra diversi vantaggi rispetto ai regimi abbassamento 7, 8, 9.
L'idea chiave dello schema parametrica è di impiegare l'anarmonicità del ODT-attraversato fascio, che rende gli atomi caldi vicino al bordo del potenziale intrappolamento sentono le frequenze di cattura non inferiore ai atomi freddi del centro. Questo permette anarmonicità gli atomi caldi per essere selettivamente espulsi dalla trappola modulando il potenziale intrappolamento a frequenze risonanti con gli atomi ad alta energia.
Il protocollo sperimentale di raffreddamento parametrica richiede un gas pre-raffreddato non interagenti Fermi vicino alla temperatura degenerata. Per implementare questo protocollo, un modulatore acusto-ottico (AOM) è utilizzato per modulare l'intensità dei fasci di cattura di controlling modulazione di frequenza, profondità e tempo. Per verificare l'effetto di raffreddamento, la nube atomico sia rilevato l'imaging assorbimento di tempo di volo (TOF), in cui un fascio laser risonante illumina la nube atomica e l'ombra assorbimento viene catturata da un dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD). Le proprietà cloud, come il numero di atomi, energia e temperatura, sono determinati dalla densità colonna. Per caratterizzare l'effetto di raffreddamento, si misura la dipendenza delle energie nube sulle varie volte modulazione.
NOTA: Questo protocollo richiede un apparato atomo ultrafredda casa costruita comprese le seguenti attrezzature: due esterni laser cavità diodi (ECDL), una configurazione di bloccaggio del ECDL frequenza di bloccaggio 10 compensato, un laser in fibra per l'ODT, un AOM per la modulazione dell'intensità del laser , un sistema a radiofrequenza (rf) antenna con un generatore di origine e un amplificatore di potenza, un sistema di imaging di assorbimento con una telecamera CCD, un programma per computer per temporizzare sequenza e acquisizione dati (DAQ), un programma di computer per l'elaborazione di immagini e l'analisi dei dati, una coppia di elettromagneti per i campi magnetici MOT e di polarizzazione, ed una camera di ultra alto vuoto comprendente un forno 6 Li vapore e di un rallentatore zeeman (mostrata in figura 1).
Attenzione: tre laser di diverse potenze e lunghezze d'onda vengono utilizzati. Si prega di consultare le relative schede di sicurezza del laser e scegliere gli occhiali di protezione laser corretta.
1. Timing Control
NOTA: Tutte le sequenze di temporizzazione sono controllati da un canale 128 scheda PCI DAQ attraverso un programma di controllo di temporizzazione. La risoluzione della sequenza di temporizzazione è di 100 ms. Diversi programmi di controllo strumentazione vengono utilizzati per controllare le impostazioni degli strumenti, come generatore laser in fibra di funzioni arbitrarie (AFG), ODT AFG, generatore di impulsi arbitrario (APG), parametrica AFG modulazione, MOT multiplexer, generatore RF, ecc.
2. CCD Preparazione
NOTA: telecamera CCD viene utilizzato per registrare imaging assorbimento degli atomi freddi, che è lo strumento diagnostico principale di atomi freddi.
3. 671 nm Preparazione Laser
NOTA: Un singolo ECDL frequenza 671 nm con una potenza di uscita di 500 mW viene utilizzato per generare il raffreddamento MOT e travi di cattura. Un'altra 671 nm ECDL di 35 mW è utilizzata per l'imaging assorbimento. Procedimento corrente di modulazione digitale laser (DLCM)viene applicato per la stabilizzazione frequenza del laser 10. I relativi 6 livelli energetici Li sono mostrati in figura 3a. è necessaria stabilità a temperatura ambiente di 20 ± 1 ° C per la stabilità ottimale di aggancio in frequenza laser.
4. Assorbimento Imaging Preparazione
NOTA: Gli atomi vengono sondati con l'imaging assorbimento, che ha bisogno di due fotogrammi dell'immagine. La prima con atomi è la trama di segnale, e il secondo senza atomi è il fotogramma di riferimento.
5. Gli atomi di raffreddamento con MOT
NOTA: MOT è un metodo di raffreddamento ampiamente utilizzato negli esperimenti atomi ultrafreddi. Questa sezione genera un MOT di circa un miliardo di 6 atomi di litio a circa 300 μK.
6. Preparazione di un ultrafreddi Fermi a gas con ODT
7. Raffreddamento Parametric
Usando questo protocollo, si studia la dipendenza del raffreddamento parametrico sul tempo modulazione con la frequenza di modulazione di ampiezza e ottimizzato, entrambi i quali sono stati determinati nella precedente pubblicazione 7. Abbiamo dapprima una non interagenti gas di Fermi di 6 atomi di litio nei due bassi stati iperfini con una temperatura di T / T F ≈ 1.2. Qui, T F = (6N)
Presentiamo un protocollo sperimentale per il raffreddamento di un parametrica non interagente Fermi gas in una trappola ottica attraversato fascio. Le fasi critiche di questo protocollo includono: In primo luogo, il gas di Fermi otticamente intrappolati deve essere raffreddato vicino alla temperatura degenerato abbassando la profondità trappola. Secondo, una frequenza di modulazione è scelto che è risonante con il componente anarmonico del potenziale intrappolamento. In terzo luogo, l'intensità del fascio di in...
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.
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 |
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