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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.
過去20年間では、様々な冷却技術は、ボーズ・アインシュタイン凝縮(BEC)を生成するために開発されており、ホット原子蒸気1、2、3、4、5からフェルミガス(DFG)を縮退します。 BECとDFG遠通常地球上又は宇宙に見られる以下の極低温に存在する物質の新規な相、絶対零温度以上程度の通常百万分の一です。このような低い温度を得るためには、ほとんどの冷却方法は、蒸発によって原子を冷却するためのトラップの可能性を下げることに依存しています。しかし、低下方式は、ガスが量子レジーム6に到達し、冷却効率を制限する原子の衝突速度を低下させます。この記事では、蒸発によってずにODTで極低温フェルミガスを冷却するための「排出」の方法を提示しますトラップの深さを下げます。このメソッドは、パラメータが低下スキーム7、8、9に比べていくつかの利点を示す、7を冷却する我々の最近の研究に基づいています。
パラメトリック方式のキーアイデアは、トラッピングポテンシャルの縁の近くに高温の原子が中心に冷たい原子よりも低いトラップ周波数を感じさせる交差ビームODTの非調和性を用いることです。この非調和性は高エネルギーの原子と共振周波数でトラップポテンシャルを変調する際に高温の原子を選択的にトラップから排出することを可能にします。
パラメトリック冷却の実験プロトコールは、縮退温度付近フェルミガスを非干渉予め冷却を必要とします。このプロトコルを実装するために、音響光学変調器(AOM)はcontrollinによってトラップビームの強度を変調するために使用されますG変調周波数、深さおよび時間。冷却効果を確認するために、原子雲は、共振レーザ光は、電荷結合素子(CCD)カメラによって捕捉され、原子雲吸収影を照明飛行時間型(TOF)の吸収イメージングによってプローブされます。このような原子番号、エネルギー、および温度などの雲特性は、カラムの密度によって決定されます。冷却効果を特徴づけるために、我々は、様々な変調時間にクラウドエネルギーの依存性を測定します。
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注:このプロトコルは、以下の機器を含む自作極低温原子の装置が必要:2つの外部空洞ダイオードレーザ(ECDL)、ECDLのロックの設定は10ロック周波数オフセット、ODT用ファイバレーザ、レーザ強度変調用AOMソース生成器と、無線周波数(RF)アンテナシステムとパワーアンプ、CCDカメラによる吸収イメージングシステム、タイミング・シーケンス及びデータ取得(DAQ)ためのコンピュータプログラム、撮像処理及びデータ分析のためのコンピュータプログラム、 MOTとバイアス磁界用電磁石の対、及び( 図1に示されている)より遅い6 Li蒸気オーブンとゼーマン含む超高真空チャンバ。
注意:異なるパワーと波長の3つのレーザが使用されています。関連するレーザー安全データシートを参照し、適切なレーザー安全ゴーグルを選択してください。
1.タイミング続きROL
注:すべてのタイミングシーケンスは、タイミング制御プログラムを通じて128チャネルPCI DAQカードによって制御されています。タイミングシーケンスの解像度は100マイクロ秒です。いくつかの計装制御プログラムは、このようなファイバレーザ任意関数発生器(AFG)、ODT AFG、任意のパルス発生器(APG)、パラメトリック変調AFG、MOTマルチプレクサ、RF発生器などのように、機器の設定を制御するために使用されます。
2. CCDカメラの準備
注:CCDカメラは、冷原子の主な診断ツールである冷原子の吸収画像を記録するために使用されます。
3. 671 nmのレーザー調製
注:500 mWの出力パワーと671 nmの単一周波数ECDLは、MOT冷却とトラッピングビームを生成するために使用されます。 35ミリワットの別の671 nmのECDLは吸収イメージングのために使用されます。デジタルレーザ現在の変調方式(DLCM)レーザ周波数安定化10に適用されます。関連6つのLiのエネルギーレベルは、 図3aに示されています。 20±1℃の室温安定性は、レーザ周波数ロックの最適な安定性のために必要とされます。
4.吸収イメージング調製
注:原子が2つの画像フレームを必要とする吸収イメージングでプローブされます。原子を有する最初のものは、信号フレームであり、且つ原子ことなく、第2の一方は基準フレームです。
MOT 5.冷却原子
注:MOTは、極低温原子の実験で広く使用されている冷却方法です。このセクションでは、約300μKで約10億6 Li原子のMOTを生成します。
7.パラメトリック冷却
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このプロトコルを使用して、我々は、我々の以前の出版物7で決定されているどちらも、最適化された変調周波数及び振幅で変調時間に対するパラメトリック冷却の依存性を調べます。まずT / T F≈1.2の温度で2つの最低超微細状態の6個の Li原子の非干渉フェルミガスを準備します。ここで、T F =(...
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我々は、クロスビーム光学トラップにおける非干渉フェルミガスのパラメトリック冷却のための実験プロトコルを提示します。このプロトコルの重要なステップは、まず、光学的にトラップされたフェルミガスは、トラップ深さを低下させることにより近い縮退温度まで冷却する必要があります。第二に、変調周波数はトラッピングポテンシャルの非調和成分と共振することに選択されます?...
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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.
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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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