冷却原子と相関計測
2010年8月24日
14:02

冷却原子と相関計測

レーザー冷却と相関計測1 - 1 ページ

電気通信大学レーザー新世代研究センター
森永 実

この講演に求められていること
2010年8月30日
16:21

冷却原子系における相関計測法を概観しまた、原子物理学の発展と今後を展望する。

（さあ大変！）

レーザー冷却と相関計測1 - 2 ページ

私（レーザー冷却の人）と相関計測との関わり
2010年8月27日
11:12• Neの2原子相関の実験（M. Yasuda & F. Shimizuの実験）を傍らで見ていた• パリティの解説記事（BosonとFermionの比較のHBT実験）を訳したことがある

高密度低温フェルミ原子気体で観測されたアンチバンチング
C. デイ 森永 実 訳<http://pub.maruzen.co.jp/book_magazine/magazine/parity-back/parity2007/2007_09/709_cont.html>• nano-fiberを用いて微弱光のスペクトルを光子相関を使って決定した（白田研との研究）

レーザー冷却と相関計測1 - 3 ページ

目次
2010年8月31日
4:12• Hanbury Brown & Twissの実験の復習• レーザー冷却法の概略• Ne原子の2原子相関の実験• Boson(4He*)とFermion(3He*)の比較HBT実験• 光格子中の原子の相関の観測• 分子から解離した原子の相関の観測• 相関計測を用いた尐数原子からの自然放出光のスペクトル測定• まとめ

レーザー冷却と相関計測1 - 4 ページ

Hanbury Brown & Twissの実験 (HBT)
2010年8月24日
18:17

原理図

光源

光子

検出器

時間相関をとる

レーザー冷却と相関計測1 - 5 ページ

スペクトル幅古典論
2010年8月24日
19:08(bunching)
Chaotic light （インコヒーレントな原子集団からの発光）

レーザー冷却と相関計測1 - 6 ページ

の例
2010年8月25日
14:54

コヒーレント光（レーザー光）：

単一原子、単一量子ドットが放出する光：(anti-bunching)
量子的！

熱的原子波： BosonかFermionかに従ってbunchingまたはanti-bunchingを示す

レーザー冷却と相関計測1 - 7 ページ

尐し実際的なHBTの実験系
2010年8月26日
9:40

検出器には不感時間がある（APDで50ns程度）->検出器を2個使う

光源

レーザー冷却と相関計測1 - 8 ページ

光子

検出器1

検出器2

•

•

赤と青の過程が干渉•

赤と青の経路長差は

光子の状態を測るための典型的な実験系
2010年8月25日
16:03

検出器1、2が互いに鏡像の位置になるようにBSを置き光を分ける

光源

光子

BS

検出器2

遅延検出器1
TAC-MCA
いまどきならPicoQuant社 PicoHarp 300等

(0)
レーザー冷却と相関計測1 - 9 ページ

古典論 vs 量子論 1
2010年8月25日
16:53

anti-bunching?

文字通りに（古典的に）レーザー冷却と相関計測1 - 10 ページを計算すれば1つのパルスを2重にカウントしている

古典論 vs 量子論 2
2010年8月31日
4:48

量子論ではレーザー冷却と相関計測1 - 11 ページ

古典論 vs 量子論 3
2010年8月31日
4:39

レーザー冷却と相関計測1 - 12 ページ

検出器が2個の場合からスタートすると自然にnormal orderになる

強度干渉による恒星の視直径の測定
2010年8月26日
10:11

•

•となると強度干渉がおこらなくなるを変化させ視直径 を見積もる

望遠鏡による観測に対するメリット• 大気の揺らぎの影響を受けにくい• 大型の装置の製作が容易（精度を要さない）

R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss, "A Test of a New Type of Stellar Interferometer on Sirius," Nature 178, 1046-1048 (1956).

レーザー冷却と相関計測1 - 13 ページ

強度干渉計の例：
2010年8月24日
18:24

Narrabri Stellar Intensity Interferometer
鏡の直径 6.5m<http://olbin.jpl.nasa.gov/photos/nsii.html>

レーザー冷却と相関計測1 - 14 ページ

中性原子のレーザー冷却2010年8月26日
11:07

中性原子のレーザー冷却

レーザー冷却と相関計測1 - 15 ページ

原子分光
2010年8月26日
11:09

原子分光の目的• 原子のエネルギー準位を正確に求める
手法• 原子に光をあてて吸収や発光を観測する

原子源
液体He、液体窒素等による冷却 4.2K 77K
希ガス等

真空槽

原子の速度
100-1000m/s

アルカリ金属等

レーザー冷却と相関計測1 - 16 ページ

oven 300-1000K

精密な測定を阻害する要因
2010年8月26日
11:34• 1次のドップラーシフト→光を原子ビームに垂直にあてる• Transit-time broadening• 2次のドップラーシフト

レーザー冷却法が使われる前のCs原子時計

レーザー冷却と相関計測1 - 17 ページ<http://www.tdk.co.jp/techmag/ninja/daa01133.htm>

光による原子の運動量制御
2010年8月26日
11:52

レーザー

原子 運動量

光子 波数

運動量（平均）

自然放出

吸収

誘導放出
運動量

光子の吸収放出を繰り返すと自然放出1回あたり（平均で）運動量だけ運動量が減尐する

光子1個による反跳は数cm/s -> 原子を停止させるには閉じた2準位間の遷移を使うことが必要

レーザー冷却と相関計測1 - 18 ページ

減速

原子の速度分布の変化

2010年8月26日
12:27

チャープ法

ゼーマン同調法• ドップラーシフトをゼーマンシフトで補償• 一定加速度運動：•

ゼーマン同調コイル
レーザー周波数を掃引

レーザー冷却と相関計測1 - 19 ページ

ドップラー冷却2010年8月26日
16:35• 負に離調した対向するレーザー光を原子にあてる• 原子は運動方向の対向方向からの光を共鳴に近く感じ主に吸収する• 原子が停止する位置はわからない• 離調が のとき最もよく冷え到達エネル

ギー（温度）は• エネルギー準位が縮退しているとき偏光勾配冷却が働きもっとよく冷える• 反跳エネルギー下げることは難しい

http://mm.ils.uec.ac.jp/bib/thesisMM.pdf

レーザー冷却と相関計測1 - 20 ページ

より温度を磁気光学トラップ
2010年8月26日
17:09

四重極磁場を加える：

z軸上の説明図

レーザー冷却と相関計測1 - 21 ページ

http://mm.ils.uec.ac.jp/bib/thesisMM.pdf

3次元の場合2010年8月26日
17:22

レーザー冷却と相関計測1 - 22 ページ

磁場は必ず四重極磁場でないといけない

実験配置図 (Neon)
2010年8月26日
17:31

レーザー冷却と相関計測1 - 23 ページ

Neのエネルギー準位
2010年8月26日
17:33

レーザー冷却と相関計測1 - 24 ページ

Ne原子の諸パラメーター
2010年8月26日
17:39

レーザー冷却と相関計測1 - 25 ページ

ダブルスリットの実験

F. Shimizu et. al. Phys. Rev. A 46, R17 (1992)2010年8月26日
17:44

レーザー冷却と相関計測1 - 26 ページ

test512_95

原子線ホログラフィー
2010年8月26日
18:02

SiN membrane 100nm thick• 1024 x 1024 cells total

M. Morinaga et.al. Phys. Rev. Lett. 77, 802–805 (1996)•

レーザー冷却と相関計測1 - 27 ページ<http://www.jsap.or.jp/ap/1996/ob6509/cont6509.html>

光でできることは原子でもやってみよう
2010年8月30日
16:34• ヤングの2重スリットの実験• ホログラフィー• 強度相関の実験（HBTの実験）• 部分反射（量子反射）

レーザー冷却と相関計測1 - 28 ページ

Ne原子の2原子相関
2010年8月26日
18:18

M. Yasuda & F. Shimizu の実験

Ne原子の2原子相関
M. Yasuda & F. Shimizu, PRL 77 3090 (1996)

レーザー冷却と相関計測1 - 29 ページ

実験配置
2010年8月26日
18:23

質量を持つ粒子では位相速度と群速度が異なる• 「二つの経路」の経路長差を波長以下にする（凹レンズを用いて原子源を遠くに見せる）• 原子の速度が遅いので検出器への到着時刻をそろえる条件がシビア• 1μ sの相関時間• 原子の速度：～1m/s

レーザー冷却と相関計測1 - 30 ページ

1μ mオーダーの検出面の位置合わせ

回路周り
2010年8月26日
18:44

レーザー冷却と相関計測1 - 31 ページ

coincidenceの見積もり
2010年8月26日
18:47

Intensity interferometer
Two atom correlation

Flux in a single spacialmode
100/s

Energy spreadh x 1 MHz
Coincidence rate
10-4 to 10-5

レーザー冷却と相関計測1 - 32 ページ

実験結果
2010年8月26日
18:53

積算時間

レーザー冷却と相関計測1 - 33 ページ

BosonとFermionの比較実験
2010年8月30日
12:03

NATURE 445 402 (2007)

Comparison of the Hanbury Brown–Twiss effect forbosons and fermions
T. Jeltes, J. M. McNamara, W. Hogervorst, W. Vassen, V. Krachmalnicoff,
M. Schellekens, A. Perrin, H. Chang, D. Boiron, A. Aspect & C. I. Westbrook

レーザー冷却と相関計測1 - 34 ページ

実験模式図2010年8月30日
12:08

レーザー冷却と相関計測1 - 35 ページ

3Heまたは4Heの磁気トラップ

4He*: T=0.52

K
3He*: T=0.53 K

遅延陽極付きMCP（xytを記録できる）

1つ1つのセルで独立なHBT実験を行ない、すべてのセルで平均（積算）する。コヒーレンスは1つのセルをカバーしていればよい。実験結果
2010年8月30日
12:19

レーザー冷却と相関計測1 - 36 ページ

4He*

3He*光格子中の原子の相関の観測
2010年8月30日
10:17

NATURE 434 481 (2005)

Spatial quantum noise interferometry
in expanding ultracold atom clouds
Simon Folling, Fabrice Gerbier, Artur Widera, Olaf Mandel,
Tatjana Gericke & Immanuel BlochInstitut fur Physik, Johannes Gutenberg-Universitat, Staudingerweg 7,
D-55099 Mainz, Germany

レーザー冷却と相関計測1 - 37 ページ

光格子
2010年8月30日
10:28

レーザー

定在波

光強度

3次元光格子光ポテンシャル
（離調が負の場合）

レーザー冷却と相関計測1 - 38 ページ

レーザー
nature physics | VOL 1 | OCTOBER 2005 pp23 | www.nature.com/naturephysics

TOF (Time of Flight)
2010年8月30日
10:45

光格子中の原子集団（自由飛行）

共鳴レーザー光原子雲のスクリーン（CCDカメラ）への投影

レーザー冷却と相関計測1 - 39 ページ

原子の状態の違いによるTOF吸収像
2010年8月30日
10:55

超流動状態
（ポテンシャル小）Mott絶縁体状態（ポテンシャル大）

レーザー冷却と相関計測1 - 40 ページ

TOF像

相関関数の周期性
2010年8月30日
11:35

原子が固定された2点に存在（または周期的に配列）している場合相関関数は周期的になる。

レーザー冷却と相関計測1 - 41 ページ

強度干渉
2010年8月30日
9:34

レーザー冷却と相関計測1 - 42 ページ

赤経路と青経路の位相差相関の解析
2010年8月30日
11:31

相関関数：

レーザー冷却と相関計測1 - 43 ページ

分子の場合2010年8月30日
15:30

レーザー冷却と相関計測1 - 44 ページ

実験模式図2010年8月30日
15:32

レーザー冷却と相関計測1 - 45 ページ

Feshbach共鳴を使って分子を作ったり解離させたりする

双極子トラップレーザー

実験タイムチャート・解析結果
2010年8月30日
15:44

双極子トラップ：レーザー冷却と相関計測1 - 46 ページ

分子から解離した原子は互いに反対方向に飛んでいく相関計測を用いた尐数原子からの自然放出光のスペクトル測定
2010年8月31日
6:29

レーザー冷却と相関計測1 - 47 ページ

測定スキーム
2010年8月31日
6:30

被測定光

レーザー冷却と相関計測1 - 48 ページ

基準光ビート信号からスペクトルを得る方法
2010年8月31日
6:45

をフーリエ変換すれば強度スペクトルレーザー冷却と相関計測1 - 49 ページを得る

実際の実験系
2010年8月31日
6:54

レーザー冷却と相関計測1 - 50 ページ

相関信号
2010年8月31日
6:47

レーザー冷却と相関計測1 - 51 ページ

励起光 30mW

励起光 153mW

得られた原子の発光スペクトル2010年8月31日
6:57

励起光 30mW

レーザー冷却と相関計測1 - 52 ページ

励起光 153mW

まとめ
2010年8月30日
16:05• いままでに行なわれた原子相関に関する主な実験を振り返ってみた。

• 最近の実験を見ると計測法としての地位を確立しつつあることがわかる。
• 量子情報等 相関を持った状態が重要な役割を果たす分野が増えてきており、その状態をプローブする方法として相関計測法の重要性は増していくはず。

• conventionalな手法でも相関を調べる方法は多数ある。
• それらを含めて相関を調べる方法の一般論がそろそろ必要では？
• （既にある？？）

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