磁気トラップ（原子）

実験物理学において、磁気トラップは磁場勾配を使用して磁気モーメントを持つ中性粒子をトラップする装置です。このようなトラップは物理学の研究で多くの目的で使用されていますが、ボーズ・アインシュタイン凝縮を達成するために原子を冷却する最後の段階として最もよく知られています。磁気トラップ（非常に冷たい原子をトラップする方法として）は、デビッド・E・プリチャードによって最初に提案されました。

動作原理

多くの原子は磁気モーメントを持ち、そのエネルギーは磁場内で次の式に従って変化する。

\Delta E=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}}

。

量子力学の原理によれば、原子の磁気モーメントは量子化されます。つまり、特定の離散値のいずれかになります。原子が強い磁場内に置かれると、その磁気モーメントは磁場と揃います。多数の原子が同じ磁場内に置かれると、それらの原子は、その原子の磁気量子数の許容されるさまざまな値に分散されます。

均一磁場に磁場勾配が重なると、磁場と磁気モーメントが揃った原子は、高磁場ではエネルギーが低くなります。丘を転がるボールのように、これらの原子は高磁場の場所を占有する傾向があり、「高磁場探索」原子と呼ばれます。逆に、磁場と反対の方向に磁気モーメントが揃った原子は、高磁場ではエネルギーが高くなり、低磁場の場所を占有する傾向があり、「低磁場探索」原子と呼ばれます。

自由空間で磁場の極大値を作り出すことは不可能ですが、極小値を作り出すことは可能です。この極小値は、極小値から逃れるだけの運動エネルギーを持たない低磁場探索原子を捕らえることができます。通常、磁気トラップは比較的浅い磁場極小値を持ち、運動エネルギーが 1ケルビンの何分の 1 かの温度に相当する原子のみを捕らえることができます。磁気トラップに必要な磁場極小値は、さまざまな方法で作り出すことができます。これには、永久磁石トラップ、ヨッフェ構成トラップ、QUIC トラップなどが含まれます。

マイクロチップ原子トラップ

磁場の最小強度は、「原子マイクロチップ」で実現できます。^[1] 最初のマイクロチップ原子トラップの 1 つを右側に示します。Z 字型の導体 (実際には、Si 表面に描かれた金色の Z 字型のストリップ) を均一な磁場内に配置し (磁場のソースは図に示されていません)、正のスピン場エネルギーを持つ原子だけがトラップされます。スピン状態の混合を防ぐために、外部磁場はチップの平面内で傾斜しており、原子の移動時にスピンの断熱回転が行われます。最初の近似では、磁場の強度 (方向ではない) がトラップされた原子の有効エネルギーに影響します。示されているチップは 2 cm x 2 cm です。このサイズは製造のしやすさを考慮して選択されました。原理的には、このようなマイクロチップトラップのサイズを大幅に縮小できます。このようなトラップのアレイは、従来のリソグラフィー法で製造できます。このようなアレイは、量子コンピューターのq ビットメモリセルのプロトタイプと見なされます。トラップ間で原子や q ビットを転送する方法が開発中です。断熱光学制御 (オフ共鳴周波数を使用) および/または電気制御 (追加の電極を使用) が想定されています。

ボーズ・アインシュタイン凝縮への応用

ボーズ・アインシュタイン凝縮(BEC)には、原子ガスの密度が非常に低く、温度も非常に低い状態が必要です。磁気光学トラップ(MOT) でのレーザー冷却は、通常、原子をマイクロケルビンの範囲まで冷却するために使用されます。ただし、レーザー冷却は、原子が単一光子から受ける運動量の反動によって制限されます。BEC を実現するには、レーザー冷却の限界を超えて原子を冷却する必要があります。つまり、MOT で使用されるレーザーをオフにし、新しいトラップ方法を考案する必要があります。磁気トラップは、非常に低温の原子を保持するために使用され、蒸発冷却は、 BEC に達するのに十分な温度まで原子の温度を下げました。

参考文献

^ M.Horikoshi; K.Nakagawa (2006). 「アトムチップを用いたボーズ・アインシュタイン凝縮体の高速生成」.応用物理B. 82 ( 3): 363–366. Bibcode :2006ApPhB..82..363H. doi :10.1007/s00340-005-2083-z. S2CID 119739250.

出典

Pritchard, David E. (1983). 「精密分光法のための磁気トラップによる中性原子の冷却」. Physical Review Letters . 51 (15): 1336–1339. Bibcode :1983PhRvL..51.1336P. doi :10.1103/PhysRevLett.51.1336.
Anderson, MH; Ensher, JR; Matthews, MR; Wieman, CE; Cornell, EA (1995). 「希薄原子蒸気におけるボーズ・アインシュタイン凝縮の観測」. Science . 269 (5221): 198–201. Bibcode :1995Sci...269..198A. doi : 10.1126/science.269.5221.198 . PMID 17789847.

外部リンク

原子トラップを研究する研究グループ

[nakagawa2006-1] M.Horikoshi; K.Nakagawa (2006). 「アトムチップを用いたボーズ・アインシュタイン凝縮体の高速生成」.応用物理B. 82 ( 3): 363–366. Bibcode :2006ApPhB..82..363H. doi :10.1007/s00340-005-2083-z. S2CID 119739250.