Arrefecimento um ultracold Fermi Gas opticamente Preso por condução Periódico
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
Nas últimas duas décadas, várias técnicas de arrefecimento ter sido desenvolvido para gerar Bose-Einstein (BEC) e degeneram gases Fermi (DFG) a partir de vapores quentes atómicas 1, 2, 3, 4, 5. BEC e DFG são novas fases de matéria que existem em temperaturas extremamente baixas, normalmente um milionésimos de um grau acima da temperatura do zero absoluto, muito inferiores às normalmente encontradas na Terra ou no espaço. Para obtenção de tais temperaturas baixas, a maioria dos métodos de arrefecimento confiaram na redução do potencial de aprisionamento para arrefecer por evaporação os átomos. No entanto, o esquema de redução também diminui a taxa de colisão dos átomos, o que limita a eficiência da refrigeração quando o gás atinge o regime quântico 6. Neste artigo, apresentamos um método de "expulsar" para refrigerar evaporativo um gás ultracold Fermi em uma ODT semdiminuindo a profundidade armadilha. Este método baseia-se na nossa recente estudo paramétrico de arrefecimento 7, mostrando várias vantagens em comparação com os regimes de abaixamento 7, 8, 9.
A ideia-chave do esquema paramétrico é empregar o anarmonicidade da ODT-beam cruzados, o que torna os átomos mais quentes perto da borda do potencial trapping sentir as freqüências de captura mais baixos do que os átomos mais frios no centro. Isto permite que os átomos de anarmonicidade mais quentes para ser expelido selectivamente a partir da armadilha quando modulando o potencial prendendo a frequências de ressonância com os átomos de alta energia.
O protocolo experimental de arrefecimento paramétrico requer uma pré-arrefecida de gás não interagem Fermi perto da temperatura degenerada. Para implementar este protocolo, um modulador acústico-óptico (OMA) é usado para modular a intensidade dos feixes de armadilhagem por controlling a modulação de frequência, profundidade e tempo. Para verificar o efeito de arrefecimento, a nuvem atómica é sondado por imagiologia de absorção de tempo-de-voo (TOF), onde um feixe de laser de ressonância ilumina a nuvem atómica e a sombra absorção é captada por um dispositivo de carga acoplada (CCD). As propriedades das nuvens, tais como o número de átomos, de energia, e da temperatura, é determinada pela densidade coluna. Para caracterizar o efeito de arrefecimento, medimos a dependência das energias de nuvem sobre as várias vezes de modulação.
Protocol
Representative Results
Discussion
Apresenta-se um protocolo experimental para o arrefecimento paramétrico de um gás não interagem de Fermi em uma armadilha óptico de feixe cruzado. Os passos críticos deste protocolo incluem: Em primeiro lugar, o gás de Fermi opticamente preso tem de ser arrefecido perto da temperatura degenerada, diminuindo a profundidade armadilha. Em segundo lugar, uma frequência de modulação é escolhida que é ressonante com o componente anarmônico do potencial de aprisionamento. Em terceiro lugar, a intensidade do feixe d…
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).
