Kühlen eines Optisch Trapped Ultrakalte Fermi Gas von Zeitfahr
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 den letzten zwei Jahrzehnten wurden zur Erzeugung von Bose-Einstein – Kondensaten (BEC) und degenerieren Fermigase (DFG) aus heissem Atomdämpfen 1, 2, 3, 4, 5 verschiedene Kühlverfahren entwickelt. BEC und DFG sind neue Phasen der Materie, die in extrem niedrigen Temperaturen existieren, in der Regel ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur, die weit unter denen normalerweise auf der Erde oder im Weltraum gefunden. Zur Erzielung solch niedrigen Temperaturen, verlassen sich die meisten Kühlverfahren auf das Fallenpotential Absenken verdunstungsgekühltem die Atome zu kühlen. Jedoch nimmt die Absenkung Schema auch die Kollisionsrate der Atome, die den Kühlwirkungsgrad begrenzt , wenn das Gas die Quantenregime 6 erreicht. In diesem Artikel stellen wir ein „Austreiben“ Verfahren zur Verdampfung eines ultrakalten Fermi-Gas in einem ODT zu kühlen, ohneAbsenken der Fallentiefe. Dieses Verfahren basiert auf unserer Studie parametrischen 7 Abkühlen mehrere Vorteile im Vergleich zu den Senken Schemata 7, 8, 9 zeigt.
Die Schlüsselidee des parametrischen Schemas ist die Anharmonizität des gekreuzt-beam ODT eingesetzt werden, die die heißeren Atome in der Nähe der Kante des Trapping-Potentials Frequenzen fühlen die untere Fang macht als die kälteren Atom in der Mitte. Dies ermöglicht die heißeren Anharmonizität Atome selektiv aus der Falle ausgestoßen werden, wenn das Fallenpotential bei Frequenzen resonant mit den Hochenergie-Atomen zu modulieren.
Das experimentelle Protokoll parametrischer Kühlung erfordert eine vorgekühlte nicht wechselwirkende Fermi Gas in der Nähe der degenerierten Temperatur. Um dieses Protokoll zu implementieren, ein akustooptischer Modulator (AOM) wird verwendet, um die Intensität der Strahlen, die durch Einfangen controllin zu moduliereng die Modulationsfrequenz, Tiefe und Zeit. Um zu verifizieren, ist die Kühlwirkung, die Atomwolke durch Absorption von Abbildungs time-of-flight (TOF) sondiert, wobei ein Resonanz Laserstrahl die Atomwolke und die Absorptions shadow beleuchtet wird durch eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) Kamera aufgenommen. Die Trübungseigenschaften, wie beispielsweise die Atomzahl, die Energie und Temperatur werden durch die Säulendichte bestimmt. Um die Kühlwirkung zu charakterisieren, messen wir die Abhängigkeit der Energien Wolke auf den verschiedenen Modulationszeiten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir stellen ein experimentelles Protokoll für parametrische Kühlung eines nicht wechselwirkenden Fermi Gases in einer gekreuzten Strahl optische Falle. Die kritischen Schritte dieses Protokolls sind: Erstens, die optisch eingefangen Fermi Gas zu der degenerierten Temperatur gekühlt werden muss, in unmittelbarer Nähe des Fallentiefe verringert wird. Zweitens wird eine Modulationsfrequenz gewählt, die mit der anharmonischen Komponente des Fallenpotential resonant ist. Drittens wird die Intensität des modulierten Str…
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
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