WEOA08(発表15分+質疑応答5分)

レーザー原子冷却による極低温電子源の開発
本田洋介 (KEK)

MOTで冷却された
Rb原子ガス<1mK
謝辞
本研究はJSTさきがけJPMJPR2109の支援を受けたものです。
PASJ2022, Y.Honda

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内容
•はじめに(3 min.)- 動機と位置付け•原理- レーザー冷却- 電子銃の動作スキーム•現在の進行状況(7 min.)- レーザーの開発- MOTの試験(1 min.)•今後の計画
PASJ2022, Y.Honda(4 min.)

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はじめに
•研究の動機•この電子源の位置付け•先行研究(3 min.)PASJ2022, Y.Honda

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動機
従来の大電力マイクロ波技術から脱却し、全光学的な加速器システムに。

小型化, 汎用化
高精度化

レーザー駆動テラヘルツ(THz)加速器

波長 ~1mm
円筒誘電体: 直径 < 0.5mm
E.Nanni et al., nature comm 9486 (2015)

電磁波の波長が短くなると、空間的→ 有効に加速できる位相体積が 時間的 に狭くなる。

利点
小さな位相体積でうまく加速されたビームは必然的に質が良い。
小サイズ、短バンチ
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欠点
開口に入れるのが難しい。
上流のビームの質が問われる。

電子源の高性能化が必要
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応用例
最近の先行研究から•テラヘルツ加速による、テーブルトップ高速電子線回折- レーザー駆動テラヘルツ光で加速、時間圧縮。
(今: 1fC, 450keV, 180fs, 1kHz -> 将来的に: 10fC, MeV, 30fs, kHz)
- ただし、これは針先カソードの電子源(低電荷)。

D.Zhang (DESY) et al., "THz-Enhanced DC Ultrafast Electron Diﬀractometer",
Ultrafast Science , 9848526 (2021)

さらに、電子源の性能を極限まで上げたい。
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電子源の温度
電子源の質：エミッタンス = (カソードサイズ)
電荷を採るには一定量必要

熱カソードの概念図(発散)
温度で決まる

発散
ヒーター

サイズ

熱されたカソードから電子が放出•従来技術(熱陰極,光陰極)は、数1000 K電子源の温度を下げることが本質的→ レーザー冷却(mK以下)
mK以下に冷却した原子ガスをカソードとして用いる。
(電子の温度としては実質10Kを目指す)
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位置付け

バンチ電荷

•空間電荷による制限: カソードの鏡像電場 << 引き出し電場の要請

新しい領域に行ける

MeV-UED電顕などの針先カソード

エミッタンスPASJ2022, Y.Honda

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一般的な加速器電子銃

先行研究
最初の提案はTU/e(オランダ)のグループ(PRL 95, 164801 (2005))

国外の2グループが開発を牽引
TU/e‣ 最初の実証‣ 電離波長依存性の解明•(Nature comm 2700 (2013))‣ FELやコヒーレントコンプトン散乱検討‣ 新型MOT•メルボルン大‣ 電子線回折への応用実証(Nature phys 7, p785 (2011))(レビュー論文 J.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys. 49 164004 より引用)

レーザー
原子物理
加速器
電子顕微鏡

多くの専門分野に跨った開発が必要

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原理
•レーザー冷却の簡単な解説•この電子源の動作スキーム(4 min.)PASJ2022, Y.Honda

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ドップラー冷却
e

吸収線
自然幅

わずかに赤方離調した
レーザー

g
光周波数

原子
原子の運動と 同一方向 のレーザー

原子の運動と 反対方向 のレーザー

光周波数が下がって見える。

光周波数が上がって見える。

吸収小

吸収大

光の運動量が、常に原子の運動を止める向きに働く (冷却)(Optical molasses (糖蜜))
ドップラー限界温度:
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ゼーマンシフトと偏光依存磁場をかける• 磁場によって角運動量準位がシフト• 光の角運動量による励起先準位の選択

吸収の円偏光依存σ- の吸収大σ+ の吸収大-1 m=0 +1-1 m=0 +1-1 m=0 +1σ-σ-σ-σ+σ+σ++B-B

磁場0PASJ2022, Y.Honda

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磁気光学トラップ(MOT)
Magneto-Optical Trap

レーザー

レーザー

σ+σ-

低温原子ガス 復元力-B

磁場0

どちらもこんな関数• ドップラー冷却による速度の減衰• ゼーマンシフトによる位置の復元力

+B位置

減衰振動

速度 or 位置

冷却され、捕捉される。
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少し具体的に原子の選択

MOTの配置• 3次元のMOT- 6方向からレーザー- 対向コイルで四極磁場• 85RbのD2線。 (同位体比: 85Rb:87Rb=7:3)- F3-F'4で冷却- F2-F'3のリポンプを併用• レーザー冷却が広く行われている入門的な原子- 原子源の入手性、レーザーの入手性• ドップラー限界温度: 0.29 mK(自然幅 38 MHz より計算)
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電子源の原理
Rbの準位•<1mKに冷却されたRb原子ガスを電子源とする。
•電離して電子を取り出す。余剰エネルギー10K程度。

電子バンチ

電極

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動作シーケンス•3次元的に整形された電子バンチの生成(1) MOTで原子冷却(2) 一旦、脱励起(3) 空間的に制御して励起準位にあげる(4) 別方向から空間的に制御して電離する

Rbの準位
Ionize

480nm

電離

5P
780nm
(5) 電子は電場で加速-HV(6) エネルギー相関で自己圧縮しながら伝搬-HV

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トラップ&冷却励起5S

進行状況•レーザーの開発•MOTの試験(今回は電子銃の形では無い)(7 min.)PASJ2022, Y.Honda

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単一周波数レーザー•必要なレーザーを自作- 波長780nm帯の単一周波数発振- 精密に波長可変(ピエゾ駆動)- Rbの吸収線の微細構造を分光して波長制御
波長制御

Rbの吸収線検出
周波数シフト

冷却
レーザー

発振器
単一周波数リポンプ
レーザー

発振器
単一周波数波長制御

冷却

MOTへ増幅器(10mW -> 200mW)

Rbの吸収線検出
周波数シフトPASJ2022, Y.Honda

リポンプ

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•原子物理用のレーザー•市販品があるのだが。

ECDL External Cavity Diode Laser•ARコート付きのゲインチップを購入•リトロー型の外部共振器レーザーを設計•回折格子で選択した波長を帰還する•筐体の設計•ピエゾ駆動ヒンジ機構で回折格子の角度を制御•削り出しヒンジ機構で光軸アライメント調整•ペルチェで温度制御(LDマウントとベース)

波長調整•バラックで並べても一応発振するが。

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増幅器
•半導体アンプ(テーパーアンプ)チップ•780nm用、最大2Wのチップを購入•筐体の製作•入力出力のレンズ系•ペルチェ温度制御の冷却マウント•6mW -> 300mW(駆動電流2A) の増幅

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Am. J. Phys. 82, 805 (2014) より引用

飽和分光
•Rbの準位の微細構造を同定して、精密に波長を合わせる必要がある。
•Rbのガスセルを用いて、ドップラーフリー分光(飽和吸収分光)する。
•発振器のピエゾを動かして、発振波長をスキャン。
冷却に用いる準位の信号

発振波長

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周波数制御周波数シフト制御信号•赤方シフト( -10MHz程度 )させる。
•AOM周波数シフタを駆使して•EOMを用いた変調移行法(MTS)•ゼロクロスの誤差信号を取得•PID制御で発振器のピエゾへ-10MHzECDL

TA-10MHzAOMAOM-85MHz

75MHz

85MHz

PID
Rb gas-cell

0MHz

発振波長

EOM

変調移行法
(Modulation Transfer Spectroscopy)

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リポンプ
•基本、同様のシステムをもう一式。
•周波数精度は要求しない。
•必要なのはF2 - F'3 だが、F2-F'1に+93MHzで作った。
•パワー 3mW で十分+93MHz
冷却

リポンプ

•AOM周波数シフタで-93MHzシフト•MTSで誤差信号+93MHz

ECDL
AOM

PID

93MHz

0MHz

Rb gas-cell

EOM

MTS

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発振波長22/31

セットアップ

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セットアップ

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真空セットアップ•現段階は、電子銃実機を作る前に、ガラスセルでMOTの試験•ARコートの直方体ガラスセル•Rbはディスペンサ(SAESから購入)で供給•ベーキング後、イオンポンプで排気(4x10-7Pa)。

Rb源

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MOTセットアップ
折り返し•冷却レーザー: 50mW x 3本
φ10mm, 折り返し配置, 円偏光に設定•リポンプレーザー: 3mW•磁場: 0.134 T/mのアンチヘルムホルツ•観測: CCDカメラで横からRbの発光を見る。

PASJ2022, Y.Honda̲
λ/4σ+26/31

λ/4σ-

MOT成功リポンプレーザー
冷却レーザー• 真ん中にトラップされた原子の発光を確認• レーザーオフ(冷却 or リポンプ)で消える• レーザーの周波数ロックを外すと消える• 磁場オフで消える

カメラ• トラップされていれば、冷却されているのは間違いないだろう。
冷却レーザー

カメラ

動画(実速度)PASJ2022, Y.Honda

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今後の計画•電子源に向けて(1 min.)

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MOTの試験と実機設計•試験セットアップで調べること- トラップされたRb原子の数- 温度 (ドップラー限界 290μK)- トラップ、デトラップの時定数- レーザー波長制御の簡便化•電子銃実機の設計- 試験セットアップで配置の制約を確認

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電離レーザー•波長480nmの電離レーザーの準備を画策中- チタンサファイア再生増幅 +OPA波長変換を移設- 比較のためにCWレーザーも•最終的には- レーザー駆動THzでのビーム操作までできれば。

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まとめ
• レーザー冷却の技術で極低温(1mK以下)にしたRbガスを用いる電子源の開発をはじめた。
- 究極のエミッタンスは温度で決まる。

•MOTによるレーザー冷却の原理を簡単に説明。
•原子冷却用の単一周波数レーザーを開発。
•試験セットアップでMOTができた。
•今後、MOTに習熟したうえで実機の製作に進む。

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