光学糖蜜

光モラセスは、原子の種類に応じて、中性原子を数マイクロケルビンまで冷却できるレーザー冷却技術です。光モラセスは、原子が存在する領域で交差する、反対方向に伝搬する 3 組の直交偏光レーザー ビームで構成されます。光モラセス (OM) と磁気光学トラップ (MOT) の主な違いは、前者には磁場がないことです。MOT とは異なり、OM は冷却のみを提供し、トラップは行いません。

1975年にレーザー冷却が提案されたとき、最低可能温度の理論的限界が予測されました。^[1]ドップラー限界、として知られるこの限界は、ドップラー冷却による2準位原子の冷却と、レーザー光子の散乱による運動量拡散による原子の加熱を考慮して達成可能な最低可能温度として与えられました。ここで、、は原子遷移の自然線幅、、は換算プランク定数、 、はボルツマン定数です。 ${\displaystyle T_{d}=\hbar \Gamma /{2k_{b}}}$${\displaystyle \Gamma }$${\displaystyle \hbar }$${\displaystyle k_{b}}$

光モラセスの最初の実験的実現は、1985年にAT&Tベル研究所のChuらによって達成されました。^[2] 著者らは、熱い原子ビームの蛍光を観察することによって、中性ナトリウム原子のレーザー冷却を理論的なドップラー冷却限界まで測定しました。一定の時間間隔でレーザービームを一時的にオフにすることによって、著者らはまず飛行時間法によって原子の平均運動エネルギーを測定しました。暗闇の間に領域を離れた原子の割合は、オフの前後の蛍光の明るさを比較することによって測定されました。次に、速度分布と温度は、この割合のライトオフ時間への依存性を推定することによって測定されました。彼らが得た運動温度は で、2レベル近似のドップラー冷却限界とそれほど変わりませんでした。光モラセス領域のサイズが制限要因でした。 ${\displaystyle T\approx 240\ \mu K}$

ゲイサーズバーグにある国立標準技術研究所での実験では、冷却された原子の温度が理論限界をはるかに下回ることが判明しました。^[3] 1988年に、Lettら^[3]は、ナトリウム原子を光糖蜜に通して、温度が約40μkまで低下することを発見しました。これは、予想されるドップラー冷却限界240μkの6倍低い値です。他の実験^[4]で発見されたその他の予期せぬ特性には、反対方向に伝搬するビームのレーザーアライメントに対する予想外の鈍感さが含まれていました。

これらの予期せぬ観察により、原子構造のゼーマン準位と超微細準位を考慮した、より洗練されたレーザー冷却モデル^[5]の開発につながりました。これらの準位間の光ポンピングのダイナミクスにより、ドップラー限界以下の原子の冷却が可能になります。

光モラセス現象の最も優れた説明は、偏光勾配冷却の原理に基づいています。^[6] 1次元の光モラセスの場合：2本のレーザービームが反対方向から原子に近づくとします。円偏光の反対方向に伝播するビームは定在波を引き起こし、光の偏光は直線ですが、方向はビームの方向に沿って非常に速い速度で回転します。空間的に変化する直線偏光で移動する原子は、背後からのビームよりも正面から来るビームからの光の吸収を受けやすい状態にある確率密度が高くなります。これにより、速度に依存する減衰力が生じます：^[7] $${\displaystyle F=-\alpha v,}$$

ここで、 変数は縮小プランク定数、は飽和強度、はレーザーの離調、は原子冷却遷移の線幅です。ナトリウムの場合、冷却（サイクリング）遷移は589 nm のレーザー光によって駆動される遷移です。 $${\displaystyle \alpha =4\hbar k^{2}{\frac {I}{I_{0}}}{\frac {2\delta \Gamma }{[1+(2\delta /\Gamma )^{2}]^{2}}}.}$$${\textstyle \hbar }$${\textstyle I_{0}}$${\textstyle \delta }$${\textstyle \Gamma }$${\textstyle ^{3}S_{1/2}(F=2)\leftrightarrow ~^{3}P_{3/2}(F=0)}$

光モラセスは原子温度を反跳限界 まで下げることができます。反跳限界は、J' 状態から J 状態への崩壊で放出される光子のエネルギーによって設定されます。ここで、J 状態は基底状態の角運動量、J' 状態は励起状態の角運動量です。この温度は で与えられますが、 この冷却方式では外部磁場に対する感受性が極めて高いため、実際には限界はこの値の数倍になります。原子は通常、ドップラー限界 と比較して程度の温度に達します。 ${\textstyle T_{r}}$$${\displaystyle k_{b}T_{r}={\frac {h^{2}}{M\lambda ^{2}}}}$$${\textstyle \mu K}$${\textstyle T_{D}\simeq 240\mu K}$

1 次元の光モラセスは、6 本の反対方向に伝播するレーザー ビームを使用して 3 次元に拡張できます。全体の力は、各ビームからの合計です。たとえば、セシウム原子を使用した研究^[8]では、ドップラー限界の約 40 倍低く、Cs の反跳温度限界をわずかに上回る という低温が達成されました。得られた温度はレーザー偏光の構成によって異なり、すべて理論的な推定値よりも高くなります。したがって、いくつかの注意点はあるものの、拡張は効果的であることが証明されています。3D 実験では、光の横方向の性質により、常に偏光勾配が存在するという制限が生じます。原子は異なる方向に沿って異なる勾配も見ており、モラセス内での原子の拡散運動中に勾配が劇的に変化する可能性があります。^[9]軌道も直線ではなく、冷却プロセスによって大きく影響されます。^[10]これらの制限のために、量子処理が必要になります。 ${\textstyle T\simeq 3\mu K}$

光モラセスは原子を減速させますが、原子を空間的に閉じ込めるトラッピング力は提供しません。磁気光トラップは、3 次元の光モラセスと空間的に変化する磁場を使用して、原子を減速させ、閉じ込めます。

• ドップラー冷却
• 灰色の糖蜜
• 磁気光学トラップ
• レーザー冷却
• 偏光勾配冷却
• サブドップラー冷却