低速リチウム原子を用いた
鈴木宗美 干渉計の研究

電子物性工学専攻 清水研究室

 年 月  日

研究の目的
我々の研究室では

 原子のレーザー冷却  磁気光学トラップの研究を行っており、その応用として磁気光学トラップした  原子を光源とした   干渉計を組むことにある。さらに、  干渉計の応用として  原子と    との衝突による    を観測することが更なる目的となる。本研究の利点は，  干渉計の光源に冷却原子（低速リチウム原子）を用いることにより速度が数十  となるので  原子の物質波は数  となり、 長   を数  と設定できるので、
  の熱的原子線を用いた干渉計   よりも短いコンパクトな干渉計ができ、干渉計のアライメントが容易になることである。また，マッハツェンダー型の干渉計で扱う回折格子の周期よりも２桁大きくできるサブミクロン程度）。

 干渉計の原理 干渉計は、 効果を利用したものである。 効果とは、図 参照 周期  の回折格子
 に照射した単一波長  の平面波の光によってその回折格子の背後の距離    長 の整数倍の所に回折格子の像と同じ像であるフレネルイメージがつくりだされることである。その像の所に、同じ構造の回折格子  を設置して格子方向にシフトさせることにより光 原子 の透過率が変化する。これを利用して縞の観測を行う。
フレネルイメージ

#   !    
"  



図 $  干渉計

%&   干渉計の構成'  干渉計の構成
図 ' を参照。 原子 ()磁気光学トラップ から '%  下に  原子の共鳴遷移周波数 波長 *+,&-*'の   を入射している。() から  原子を開放する直前に共鳴遷移周波数   を ,, 程度入射することで、原子の速度を ', に調整している。 原子 () から   の間に % 枚の 周期  , 開口率

 %,. を設置している。 原子 () 側から第  を "    /
第 ' を 01   第 % を (  と呼ぶ。() から開放された原子源は、有限幅の広がりを持つためフレネルイメージのコントラストが低下してしまう、それを解消するため  を設置することで  の各々のスリットが理想的な点光 原子 源に近づくようにしている。
は、 効果によって  の直前にフレネルイメージをつくり出す。 は、格子方向にシフトすることによって干渉計を透過する原子個数を変化させる。 の横に 2ピエゾ圧電素子 が設置してあり 2に電圧をかけることにより  をシフトさせている。2 は電圧を ,3 から 4,3 までかけることができ、最大 4,3 で 4 の &4 周期 変位する。() から開放され、干渉計を透過して   に到達した原子の蛍光を  で検出し、その出力電圧からＴＯＦ信号を測定して、 のシフトによる )5 信号の強度の変化から原子透過個数の変化を見積もる。
  ()
'% 

2



%* 



%* 

蛍光
6

図 '$   干渉計の構成 7& 実験

%実験
はじめに干渉計を設置しない場合の )5 信号を測定した。図 % に示す。その際に図 7 のタイミングで() から原子を開放する直前に   強度$*,8 を 9  ,, 入射した。   の周波数を調整することにより , に )5 信号のピークが来るようにした。次に、干渉計を () と  の間に挿入して、)5 信号を測定した。図 7 のタイミングチャートを :  として , :  行い平均化した データーをとり、2 の電圧を 4,3 から ,3 づつ変化させて同じ測定を ; 回繰り返した。

図 %$ 干渉計がない場合の )5 信号 縦軸  出力電圧()  

1

91

図 7$ タイミングチャート: 4& 結果7結果; データを足した )5 信号を図 4 上部に示す。2 にかける電圧を変えることで )5 信号の強度が変化することを確認した。これは、 をシフトさせることにより干渉計を透過する原子の個数が変化している。また，図 4 左下のグラフのように裾の線を基準としてそれぞれ ;/-/ ,/ について )5 信号の強度を見積もり， のシフトに対して図 4 右下のグラフにプロットして  のシフトによる原子の透過個数が縞になっていることを確認した。

図 4$ 実験結果$ のシフトによる原子の干渉計透過個数の変化

*& 考察4 考察
 のシフトに依存した干渉計を透過する原子個数の変化を )5 信号の原子到達時間で、; &-/-'&'/ ,'&4/ '&+ についてそれぞれシュミレーションで計算した、グラフを図 * に示す。実験値の縞の 3: は、計算値よりも低くなった。

4nm
1.9nm
2.2nm2.5nm

図 *$)5 到達時間

表 $ <: の比較
原子波長 <: 計算値<: 実験値

;

&-

' .

,.

-'&'

*,.

% .

,

'&4

+4.

'+.

'&+

+4.

;.

3: を実験値と計算値の場合で出した、表に示す。実験値の縞の 3: が、計算値よりも低

図 +$   光の周波数の揺らぎによる )5 の変化くなった。原因として   光の周波数が変化すると図 + のように信号の強度とピークの位置が変化して透過する原子の数が揺らいでしまい 3: が低下したと考えられる。この揺らぎを打ち消すためにはデータを取る際にたくさん積算する必要がある。しかし，  光の周波数を ,(=2 以内に安定化すれば，揺+& まとめ*

らぎがなくなるのでデータを積算する回数を減らせると考えられる。さらに/ によるフーリエイメージと との相対角度が ' になってしまったことにより  縞が出来てしまい 3: が低下したと考えられる。

まとめ& 低速リチウム原子を用いた   干渉計の縞の 3: の計算を行なった。
'&   干渉計の   を作製した。
%& 2 の変位の測定をした
7& 低速リチウム原子を用いた   干渉計を組み縞を観測した。縞の 3: は '+. 波長$'&4であった。計算では，+4.となったがこれは，回折格子のそれぞれの溝（格子）の平行度が相対的に傾いてることが原因と考えられる。  の周波数の揺らぎによる )5 信号の変化も原因と考えられる。
今後の予定& 実験の途中 () が不安定になることがありこの原因を追求する。
'&   光の周波数の揺らぎにより )5 信号の強度とピークの位置が変化してしまうため   光の周波数を ,(=> 以内に安定化させる。
%& 今回，2 にかける電圧は ,3 づつ変えたがさらに細かく変えて 6 数を増やしてさらに細かく縞を観測する。
7&   干渉計を用いて  原子と 予定。

   との衝突による    の測定をする

参考文献
  ?&5&   "&/:&@<&A /@'' %  --7&