정기 간행물 운전하여 광학적 갇혀 초저온 페르미 가스를 냉각
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
지난 20 년 동안, 다양한 냉각 기술 보스 – 아인슈타인 응축 (BEC)을 생성하기 위해 개발 된 뜨거운 증기 원자 1, 2, 3, 4, 5에서 페르미 가스 (DFG)를 퇴화. BEC 및 DFG 훨씬 일반적으로 지구 또는 공간에서 발견 이하 극저온 존재 물질의 새로운 상을, 절대 영도 온도보다 높은 정도의 통상 백만이다. 낮은 온도를 얻기 위해, 대부분의 냉각 방법은 증발로 원자를 냉각 할 수있는 트래핑 가능성을 낮추는에 의존하고 있습니다. 그러나 낮추는 방식은 가스 양자 체제 (6)에 도달 할 때 냉각 효율을 제한하는 원자의 충돌 속도를 감소시킨다. 이 글에서, 우리는 증발로하지 않고 ODT에서 초저온 페르미 가스를 냉각하는 "추방"방법을 제시한다트랩 깊이 저하. 이 방법은 파라미터를 낮추는 방식 7, 8, 9에 비해 여러 가지 장점을 보여주는,도 7의 냉각 최근의 연구에 기초한다.
파라 메트릭 기법의 핵심 아이디어는 트래핑 잠재력의 가장자리 근처의 뜨거운 원자는 중심에있는 차가운 원자보다 낮은 트래핑 주파수를 느끼게 크로스 빔 ODT의 anharmonicity을 사용하는 것이다. 이 anharmonicity은 고 에너지 원자 공진 주파수에서 포착 전위를 변조 할 때 뜨거워 원자가 선택적으로 트랩으로부터 배출 될 수있다.
파라 냉각 실험 프로토콜 축퇴 온도 근처에서 미리 냉각 비 간섭 페르미 기체를 필요로한다. 이 프로토콜을 구현하기 위해, 음향 광학 변조기 (AOM)은 controllin 의해 트래핑 빔의 강도를 변조하는데 사용g 변조 주파수, 깊이 및 시간. 냉각 효과를 확인하기 위해, 원자 구름은 공진 레이저 광은 전하 결합 소자 (CCD) 카메라에 포착되는 원자 구름과 흡수 그림자를 조명 비행 시간 (TOF)의 흡수 촬상 의해 프로빙된다. 예컨대 원자 번호, 에너지, 및 온도와 같은 구름 특성은, 열 밀도에 의해 결정된다. 냉각 효과를 특성화하기 위해, 우리는 다양한 변조 시간에 구름 에너지의 의존도를 측정한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 크로스 빔 광 트랩 비 간섭 페르미 가스 파라 냉각 실험 프로토콜을 제시한다. 이 프로토콜의 중요한 단계를 포함한다 : 첫째로, 광학 포획 페르미 기체가 트랩 깊이를 낮추어 축퇴 온도 근처로 냉각 될 필요가있다. 둘째, 변조 주파수가 포착 전위의 부조화 성분과 공진하다 선택된다. 셋째, 트래핑 빔의 강도는 원자 구름을 냉각하고, 변조시에 구름 에너지 의존성을 측정하기 위해 변조된?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 1064 nm CW laser | IPG photonics | YLR-100-1064-LP | Quantity:1 |
| 1064 nm AOM | IntraAction | ATM-804DA6B | Quantity:1 |
| 1064 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 |
| 1064 nm plano-concave lens | Quantity:1 for beam reducer | ||
| 1064 nm plano-convex lens | Quantity:1 for beam reducer | ||
| 1064 nm Mirrors | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1064 nm Half-wave Plates | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1064 nm Lenses | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1064 nm Thin Film Polarizer | Quantity:1 | ||
| 100 W, 1064 nm Beam Dump | Quantity:1 | ||
| 100 W, 1064 nm Power Meter | Quantity:1 | ||
| RF Function Generator | Rigol | DG4162 | Quantity:1 |
| RF Power Amplifier | Mini-Circuits | ZHL-100W-GAN+ | Quantity:1 |
Referências
- Petrich, W., Anderson, M. H., Ensher, J. R., Cornell, E. A. Stable, tightly confining magnetic trap for evaporative cooling of neutral atoms. Phys. Rev. Lett. 74 (17), 3352 (1995).
- Ketterle, W., Druten, N. J. V., Bederson, B., Walther, H., et al. Evaporative cooling of trapped atoms. Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics. 37, 181-236 (2003).
- Truscott, A. G., Strecker, K. E., McAlexander, W. I., Partridge, G. B., Hulet, R. G. Observation of Fermi pressure in a gas of trapped atoms. Science. 291 (5513), 2570-2572 (2001).
- DeMarco, B., Jin, D. S. Onset of Fermi degeneracy in a trapped atomic gas. Science. 285 (5434), 1703-1706 (1999).
- Granade, S. R., Gehm, M. E., O’Hara, K. M., Thomas, J. E. All-optical production of a degenerate Fermi gas. Phys. Rev. Lett. 88 (12), 120405 (2002).
- Luo, L., et al. Evaporative cooling of unitary Fermi gas mixtures in optical traps. New J. Phys. 8 (9), 213 (2006).
- Li, J., Liu, J., Xu, W., de Melo, L., Luo, L. Parametric cooling of a degenerate Fermi gas in an optical trap. Phys. Rev. A. 93 (4), 041401 (2016).
- Poli, N., Brecha, R. J., Roati, G., Modugno, G. Cooling atoms in an optical trap by selective parametric excitation. Phys. Rev. A. 65 (2), 021401 (2002).
- Kumakura, M., Shirahata, Y., Takasu, Y., Takahashi, Y., Yabuzaki, T. Shaking-induced cooling of cold atoms in a magnetic trap. Phys. Rev. A. 68 (2), 021401 (2003).
- Li, J., et al. Sub-megahertz frequency stabilization of a diode laser by digital laser current modulation. Appl. Opt. 54 (13), 3913-3917 (2015).
- Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH. . HiPic user manual. , (2016).
- Luo, L. . Entropy and superfluid critical parameters of a strongly interacting Fermi gas [Ph.D. thesis]. , (2008).
- Ries, M. . A magneto-optical trap for the preparation of a three-component Fermi gas in an optical lattice [Diploma thesis]. , (2010).
- Bartenstein, M., et al. Precise determination of 6Li cold collision parameters by radio-frequency spectroscopy on weakly bound molecules. Phys. Rev. Lett. 94 (10), 103201 (2005).
- Gaunt, A. L., Schmidutz, T. F., Gotlibovych, I., Smith, R. P., Hadzibabic, Z. Bose-Einstein condensation of atoms in a uniform potential. Phys. Rev. Lett. 110 (20), 200406 (2013).
- Bruce, G. D., Bromley, S. L., Smirne, G., Torralbo-Campo, L., Cassettari, D. Holographic power-law traps for the efficient production of Bose-Einstein condensates. Phys. Rev. A. 84 (5), 053410 (2011).
- Roy, R., Green, A., Bowler, R., Gupta, S. Rapid cooling to quantum degeneracy in dynamically shaped atom traps. Phys. Rev. A. 93 (4), 043403 (2016).
- Bukov, M., D’Alessio, L., Polkovnikov, A. Universal high-frequency behavior of periodically driven systems: from dynamical stabilization to Floquet engineering. Adv. Phys. 64 (2), 139-226 (2015).
