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レーザー冷却とは、原子、分子、小型機械システムをレーザー光で冷却する様々な技術を指します。レーザーの指向性エネルギーは、レーザー切断など、材料の加熱と関連付けられることが多いため、レーザー冷却によって試料温度が絶対零度近くまで低下するというのは、直感に反するように思えるかもしれません。レーザー冷却は、原子物理学の実験において、冷却された原子を操作・測定する際に日常的に用いられています。また、原子ベースの量子コンピューティングアーキテクチャなどの技術にも応用されています。
レーザー冷却は、粒子のランダムな熱運動や機械システムのランダムな振動を低減します。原子や分子の場合、これにより分光法におけるドップラーシフトが低減され、高精度な測定や光時計などの計測機器が可能になります。また、熱エネルギーの低減により、原子や分子をトラップに効率的にロードすることが可能になり、実験や原子ベースのデバイスでより長期間使用できるようになります。
レーザー冷却は、原子などの物体が光子（光の粒子）を吸収・再放出する際の運動量変化を利用する。原子は、原子のレーザー冷却遷移周波数（およびエネルギー）よりも低い周波数（およびエネルギー）を持つ、互いに逆方向に伝搬する一対のレーザービームで照射されると、一次元的に冷却される。ドップラー効果により、原子の運動方向と逆方向に伝搬するレーザービームからの光が優先的に吸収される。吸収された光は、原子によってランダムな方向に再放出される。このプロセスが繰り返されると、原子のランダムな運動はレーザー冷却軸に沿って減少する。3つの空間方向に沿って3組の逆方向に伝搬するレーザービームを用いると、温かい原子雲は三次元的に冷却される。このような冷たい原子雲は、原子雲の速度分布が減少するため、膨張速度が遅くなる。これは、原子の温度が低くなり、原子が冷えることに対応する。[ 1 ]粒子群の場合、その熱力学的温度は速度の分散に比例するため、速度の分布が低いほど粒子の温度は低くなります。
放射圧とは、電磁放射が物質に及ぼす力のことです。1873年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは電磁気学に関する論文を発表し、その中で放射圧を予言しました。[ 2 ]この力は、ピョートル・レベデフによって初めて実験的に実証され、 1900年のパリ万国博覧会中の国際物理学会議で報告され、 [ 3 ]その後1901年にさらに詳細に発表されました。[ 4 ]レベデフの測定に続いて、アーネスト・フォックス・ニコルズとゴードン・フェリー・ハルも1901年に放射圧の力を実証し、[ 5 ] 1903年にはより精密な測定が報告されました。[ 6 ] [ 7 ]
光は原子（または分子）遷移を引き起こし、原子の内部状態を変化させ、原子に運動量キック（放射圧）を与えることができる。遷移は、光の周波数が原子または分子の遷移周波数に近い場合に強く引き起こされる。ナトリウム原子は 、人間の目の感度のピークに近い波長である589 nmで強い遷移を示すため、歴史的に注目されている。これにより、光とナトリウム原子の相互作用を比較的容易に観察することができた。1933年、オットー・フリッシュは光でナトリウム原子の原子ビームを偏向させた。[ 8 ] これは、原子または分子に作用する放射圧の最初の実現であった。
原子分光実験にレーザーが導入されたことが、1970年代半ばのレーザー冷却の提案の先駆けとなった。レーザー冷却は、1975年に2つの異なる研究グループによって別々に提案された。Theodor W. HänschとArthur Leonard Schawlow [ 9 ]、およびDavid J. WinelandとHans Georg Dehmelt [ 10 ]である。どちらの提案も、ドップラー冷却として知られる最も単純なレーザー冷却プロセスを概説している。これは、原子の共鳴周波数より低い周波数に調整されたレーザー光が、レーザーに向かって移動する原子によって優先的に吸収され、吸収後に光子がランダムな方向に放出されるというものである。
1977年、アーサー・アシュキンは、ドップラー冷却を用いて原子を光トラップにロードするために必要な減衰を与える方法を説明した論文を提出した。[ 11 ]この研究で彼は、これによって精度を高める長時間の分光測定が可能になることを強調した。また、異なる原子間の相互作用を研究するために、光トラップを重ね合わせることについても議論した。
レーザー冷却の提案を受けて、1978年に2つの研究グループ、すなわち国立標準技術研究所（NIST）のワインランド、ロバート・ドゥルリンガー、フレッド・ウォールズのグループと、ワシントン大学のヴェルナー・ノイハウザー、マーティン・ホーエンシュタット、ピーター・E・トシェク、デーメルトのグループが、原子のレーザー冷却に成功した。NISTグループは、分光法におけるドップラー広がりの影響を低減することを目的としていた。彼らはペニングトラップでマグネシウムイオンを40 K以下に冷却した。ワシントン大学のグループはバリウムイオンを冷却した。
中性原子の最初のレーザー冷却は、1981年にモスクワのロシア科学アカデミー分光研究所でヴィクトル・バリキン、ウラジレン・レトホフ、ウラジーミル・ミノギンによってナトリウムを用いて実現された。[ 12 ]
電気双極子遷移のドップラー冷却限界は、通常数百マイクロケルビンです。1980年代には、この限界が達成可能な最低温度と考えられていました。ナトリウム原子の ドップラー冷却限界が240 マイクロケルビンであるにもかかわらず、 43マイクロケルビンまで冷却されたときは驚きでした[ 13 ]。この予想外の低温は、偏光レーザー光とより多くの原子状態および遷移との相互作用を考慮することで説明されました。レーザー冷却に関する以前の概念は単純すぎたと判断されました[ 14 ] 。これらの結果は、1997年のノーベル物理学賞の主要部分であり、クロード・コーエン＝タヌージ、スティーブン・チュー、ウィリアム・ダニエル・フィリップスに「レーザー光で原子を冷却および捕捉する方法の開発」に対して授与されました[ 15 ] 。
70年代と80年代のレーザー冷却における大きなブレークスルーは、既存の技術の改良と絶対零度をわずかに上回る温度での新たな発見につながった。冷却プロセスは原子時計の精度向上と分光測定の改善に利用され、極低温における新しい物質状態の観測につながった。 [ 16 ] [ 14 ]新しい物質状態であるボーズ・アインシュタイン凝縮体は、1995年にエリック・コーネル、カール・ワイマン、ヴォルフガング・ケターレによって観測された。[ 17 ]
ほとんどのレーザー冷却実験では、原子を実験室系でほぼ静止状態にするが、相対論的原子の冷却（速度分布の狭窄）も達成されている。1990年、 JGUの研究グループは、蓄積リング内の7Li +ビームをレーザー冷却した。260 Kから 3 K 未満まで、同じ遷移を対象とする 2 つの逆伝播レーザーを使用するが、514.5 nmと 大きなドップラーシフトを補償するために584.8 nmを使用する。[ 18 ]
反物質のレーザー冷却も実証されており、2021年にALPHAコラボレーションが反水素原子で初めて実証した。[ 19 ] 2024年には、電子と陽電子からなるポジトロニウムが約1Kまでレーザー冷却された。[ 20 ]
分子は振動と回転の自由度を持つため、原子に比べてレーザー冷却がはるかに困難です。これらの自由度の増加により、励起状態の崩壊によって占有されるエネルギー準位の数が増え、より複雑な準位構造に対応するために、原子の場合よりも多くのレーザーが必要となります。特に振動崩壊は、占有可能な振動状態を制限する対称性の規則が存在しないため、非常に困難です。
2010年、デイブ・デミル率いるイェール大学のチームが二原子分子のレーザー冷却に成功した。[ 21 ] 2016年、 MPQのグループがホルムアルデヒドの冷却に成功した。 光電シシュポス冷却により420 μK 。 [ 22 ] 2022年、ハーバード大学の研究グループはCaOHをレーザー冷却して捕捉することに成功し、 磁気光学トラップ内で720(40) μK。[ 23 ]
2000年代以降、レーザー冷却は小型のカンチレバーからLIGO観測所で使用されるミラーまで、様々な小型機械システムに応用されるようになった。これらの装置は、フレームに取り付けられた機械膜などのより大きな基板に接続されているか、光トラップ内に保持されている。いずれの場合も、機械システムは調和振動子である。レーザー冷却は、機械振動子のランダムな振動を低減し、システムから熱フォノンを除去する。
2007年、MITのチームはマクロスケール（1 グラム）の物体をレーザー冷却して0.8 Kまで冷却することに成功した。 [ 24 ] 2011年には、カリフォルニア工科大学とウィーン大学のチームが、(10 μm × 1 μm)の機械的物体をレーザー冷却して量子基底状態まで冷却することに初めて成功した 。[ 25 ]
レーザー冷却の最初の実現例であり、原子や分子を冷却する最も普及した方法（そのため、単に「レーザー冷却」と呼ばれることも多い）は、ドップラー冷却である。
ドップラー冷却は、レーザー冷却において最も一般的な方法である。これは、低密度ガスをドップラー冷却限界まで冷却するために用いられる。ルビジウム（原子物理学の分野でよく用いられる物質）の場合、その限界は約150マイクロケルビンである。磁気光学トラップを実現するために、磁場勾配と組み合わせて用いられることも多い。
ドップラー冷却では、まず光の周波数を原子の電子遷移周波数よりわずかに低い周波数に調整します。光が遷移周波数の「赤色」（つまり低周波数）にずれているため、原子はドップラー効果により、光源に向かって移動する際に多くの光子を吸収します。したがって、反対方向から光を照射すると、原子は常に移動方向とは反対方向を向いているレーザービームからより多くの光子を散乱します。散乱のたびに、原子は光子の運動量に等しい運動量を失います。励起状態にある原子が自発的に光子を放出すると、同じ量の運動量で跳ね返されますが、その方向はランダムです。最初の運動量の変化は純粋な損失（移動方向とは逆方向）であるのに対し、その後の変化はランダムであるため、吸収と放出の過程の結果として、原子の運動量、ひいてはその速度が減少する可能性が高いです。ただし、これは原子の初期速度が単一の光子を散乱させたときの反動速度よりも大きかった場合に限ります。吸収と放出が何度も繰り返されると、原子の平均速度、ひいては運動エネルギーは減少する。原子群の温度は平均的なランダムな内部運動エネルギーの尺度であるため、これは原子を冷却することに相当する。
原子を3次元的にドップラー冷却する場合、従来は6本の逆方向に伝搬する赤色デチューンレーザービームを用いて冷却が行われてきたが、原子がまるで糖蜜の中を移動しているかのようにゆっくりと動くことから、 これは光学糖蜜冷却と呼ばれている。
ドップラー冷却後、原子（または分子）をドップラー限界以下に冷却することがしばしば有効です。これは、さまざまなサブドップラー冷却技術によって実現されます。原子構造によって、適したサブドップラー冷却技術は異なります。例えば、リチウムやカリウムは励起状態において超微細構造が未解明であるため、偏光勾配冷却では冷却がうまくいかない ことから、グレーモラセス冷却が用いられます。
サブドップラー冷却法には以下が含まれます。
その他のレーザー冷却方法には以下のようなものがある。
レーザー冷却は原子物理学の分野で広く用いられている。原子のランダムな運動を抑制することで、光場や磁場を用いて原子を捕捉できるなど、多くの利点が得られる。また、冷却された原子試料の分光測定では、熱運動による系統誤差も低減される。
原子の低温サンプルを準備するために、単一の実験で複数のレーザー冷却技術が用いられることが多く、その後、このサンプルを操作および測定します。代表的な実験では、ストロンチウム原子の蒸気が高温オーブン内で生成され、原子ビームとしてオーブンから放出されます。オーブンを出た後、原子は原子ビームの発散による原子の損失を減らすために、運動方向に対して垂直な2次元でドップラー冷却されます。次に、原子ビームはゼーマン減速器で減速および冷却され、原子を磁気光学トラップ（MOT）に効率的にロードします。MOTは原子をドップラー冷却し、461 nmのレーザーを用いて1 S 0 → 1 P 1 遷移を駆動します。MOTは、461 nmの光の使用から 689 nmの光の使用に切り替え、狭い遷移である1 S 0 → 3 P 1 遷移を駆動して、さらに低温の原子を実現します。その後、原子は光双極子トラップに移送され、蒸発冷却によって光格子に効果的にロードできる温度まで冷却されます。
レーザー冷却は、中性原子や捕捉された原子イオンに基づく量子コンピューティングにおいて重要である。イオントラップ内では、ドップラー冷却によってイオンのランダムな運動が抑制され、トラップ内で整然とした結晶構造が形成される。ドップラー冷却後、イオンはしばしば運動基底状態まで冷却され、イオン間の量子ゲートにおけるデコヒーレンスを低減する。
原子をレーザー冷却するには、組み立てると冷却原子装置となる科学機器が必要です。このような装置は、レーザー冷却された原子を収容する真空チャンバーと、冷却、原子状態の準備と操作、および原子の検出に使用されるレーザーシステムの2つの部分から構成されます。分子のレーザー冷却は、より複雑な分子構造に対応するため、一般的により多くのレーザーと光変調器（電気光学変調器や音響光学変調器など）を必要とします。機械システムも、背景ガスによる減衰によってガスの温度とすぐに平衡状態になるため、真空システムが必要です。機械装置は非常に広い波長範囲で反射するため、機械システムには通常、信頼性とコヒーレンス時間に基づいて選択されたNd:YAGレーザーやファイバーレーザーなどのレーザーが1つだけ必要です。
原子をレーザー冷却するには、原子が室温の背景ガス粒子と衝突してはならない。このような衝突は原子を急激に加熱し、弱いトラップから原子を叩き出してしまう。冷却原子装置で許容できる衝突率を得るには、通常10⁻⁹ Torrの真空度が必要であり、多くの場合、数百倍、あるいは数千倍低い圧力が必要となる。このような低圧を実現するには、真空チャンバーが必要である。真空チャンバーには通常、原子にレーザーを照射（例えばレーザー冷却用）し、原子から放出される光や原子による光の吸収を検出するための窓が設けられている。真空チャンバーには、レーザー冷却する原子のための原子源も必要である。原子源は一般的に加熱され、レーザー冷却可能な熱原子を生成する。イオントラップ実験の場合、真空システムにはイオントラップと、トラップ用の適切な電気フィードスルーも必要となる。
中性原子システムでは、原子の収集と冷却の初期段階の一つとして、磁気光学トラップ（MOT）が非常によく用いられます。MOTの場合、磁場勾配を生成するために、磁場コイルは通常、真空チャンバーの外側に配置されます。
冷却原子装置に必要なレーザーは、原子の選択に完全に依存します。各原子は、レーザー冷却するために駆動しなければならない、非常に異なる波長の固有の電子遷移を持っています。たとえば、ルビジウムは非常によく使用される原子で、数GHz離れた780nmのレーザー光で2つの遷移を駆動する必要があります。ルビジウム用の光は、780nmの信号レーザーと電気光学変調器から生成できます。一般的に、中性原子を冷却するには数十mW（より多くの原子を冷却する場合は数百mW）が使用されます。一方、捕捉されたイオンは、一般的に強く閉じ込められており、レーザー光を小さなスポットサイズに集光できるため、マイクロワットの光パワーが必要です。たとえば、ストロンチウムイオンは、ドップラー冷却するために422nmと1092nmの両方の光が必要です。レーザー冷却に伴うドップラーシフトが小さいため、レーザー冷却には数MHz程度の非常に狭いレーザーが必要です。このようなレーザーは一般的に、分光基準セル、光共振器、あるいは場合によっては波長計によって安定化されており、レーザー光を原子遷移に対して精密に調整することができる。
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