Koelen van een Optisch Trapped ultrakoude Fermi Gas door Periodiek Driving
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
In de laatste twee decennia zijn verschillende koeltechnieken ontwikkeld voor het genereren Bose-Einstein condensaten (BEC) en gedegenereerde Fermi gassen (DFG) uit hete dampen atoom 1, 2, 3, 4, 5. BEC en DFG zijn nieuwe fasen van materie die bestaan bij extreem lage temperaturen, gewoonlijk een miljoenste graad boven het absolute nulpunt temperaturen, ver beneden die normaal op aarde en in de ruimte. Om dergelijke lage temperaturen te verkrijgen, de meeste koeling werkwijzen berusten op het verlagen van de trapping potentieel om verdamping koelen van de atomen. De verlaging regeling vermindert ook de botsing snelheid van de atomen, die het koelrendement begrenst wanneer het gas de quantum regime 6 bereikt. In dit artikel geven we een "verdrijven" methode om verdamping te koelen een ultrakoude Fermi gas in een ODT zonderverlagen van de val diepte. Deze methode is gebaseerd op onze recente studie van parametrische koeling 7, die verscheidene voordelen ten opzichte van de verlaging stelsels 7, 8, 9.
De kerngedachte van de parametrische regeling is de anharmonicity van de gekruiste-bundel ODT, waardoor heter atomen nabij de rand van het vangen potentiële voel de lagere frequenties dan de vangst koude atomen in het centrum passen. Dit maakt anharmonicity de hetere atomen selectief worden verwijderd uit de val als het moduleren invangen potentiaal bij frequenties resonantie met hoge energie atomen.
Het experimentele protocol parametrische koeling vereist een voorgekoelde noninteracting Fermigas nabij de gedegenereerde temperatuur. Dit protocol implementeren, wordt een acousto-optische modulator (AOM) gebruikt om de intensiteit van de bundels door trapping controllin modulereng de modulatiefrequentie, diepte en tijd. Om het koeleffect te controleren, moet de atomaire wolk gesondeerd door absorptie beeldvorming van time-of-flight (TOF), waarbij een resonante laserbundel belicht de atomaire wolk en de absorptie schaduw wordt opgevangen door een ladingsgekoppelde inrichting (CCD) camera. De wolkeneigenschappen, zoals het atoomnummer, energie en temperatuur, bepaald door de dichtheid kolom. Om de koelende werking te karakteriseren, meten we de afhankelijkheid van de cloud energieën op de verschillende modulatie tijden.
Protocol
Representative Results
Discussion
We geven een experimenteel protocol voor parametrische koelen van een noninteracting Fermi gas in een gekruiste-bundel optische val. De kritische stappen van deze protocollen zijn: Ten eerste, het optisch-ingevangen Fermigas moet dicht worden gekoeld om de temperatuur gedegenereerd door het verlagen van de val diepte. Ten tweede wordt een modulatiefrequentie gekozen dat resoneert met anharmonische component van de trapping potentieel. Ten derde wordt de intensiteit van de gemoduleerde bundel trapping om de atomaire clou…
Disclosures
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 |
References
- 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).
