𝟖𝟕

𝐑𝐛原⼦の 5S-6P 遷移を⽤いた CPT 共鳴に関する研究
岸本研究室

1. 研究背景・⽬的

1513146 ⻄⼭ 透

2. 原理

本研究室では、ボース・アインシュタイン

本研究では、コヒーレントポピュレーシ凝縮体(BEC)の連続的⽣成を⽬標としておョントラッピング(CPT)という現象によっり、これを達成する技術要素の 1 つとして、て暗状態の観測を⾏う。

Gray-Molasses 冷却という冷却⼿法を取り

CPT とは、図 2.1 のような共通する励起⼊れることが検討されている。

準位を持つΛ型の 2 つの吸収スペクトルを⼀般的な BEC の⽣成⼿順では、磁気光学ト持つ原⼦に⽣じる現象であり、対応する 2ラップ(MOT)の後に圧縮 MOT を⾏う。しつのレーザー光(プローブ光とカップリン

かしこれだと磁場勾配を変化させるため、グ光)を照射するとき、これらの周波数差

連 続 性 が 失 わ れ て し ま う 。 ⼀ ⽅ Gray-が 2 つの下準位間と⾮共鳴な条件下ではプMolasses 冷却を併⽤する場合は、MOT 磁ローブ光は吸収されるのに対し、共鳴な条場印加時でもその四重極磁場の中⼼近傍で件下では図 2.2 のようにプローブ光は吸収は磁場が⼗分⼩さいことを利⽤して冷却すされず、透過するという現象である。このるため、連続性を失うことなく冷却を⾏う原⼦と光が相互作⽤しなくなる状態は暗状ことが出来る可能性がある。この冷却法の態と呼ばれる。

特徴は冷却された原⼦を暗状態に落とすことで再加熱を防ぐため、位相空間密度の向上が期待できることにある。
本研究室では既に、 Rb原⼦の5S /5P /遷移を⽤いた Gray-Molasses 冷却に成功している[1]。しかし、主量⼦数の異なる nS(n+1)P 遷移を⽤いた例はまだ報告されて
お ら ず 、 現 在 5S /6P / 遷 移 を ⽤ い た

図 2.1 Λ型遷移を⽤いた CPT の概略図

Gray-Molasses 冷却が研究されているが、成功に⾄っていない。5S-5P より波⻑の短い5S-6P 遷移を⽤いることが出来れば、吸収断⾯積は波⻑の⼆乗とブランチングレートに⽐例するためこれを抑えることができ、原⼦数密度の向上が期待できる。
本研究では 5S-6P 遷移を⽤いた GrayMolasses 冷却の実現に向け、この遷移で暗状態を作ることが出来るのか検討を⾏った。

図 2.2 CPT 信号3. 計算による予測

ぞれの遷移において 1 つで、どちらも5S-6P 遷移における CPT では、5S-5P

F=1-Fʼ=1 にロックされた光を EOMと異なり中間に複数の準位が存在し、緩和(6.8GHz)に⼊射してサイドバンドを⽴過程に影響してくる。これら中間準位がどて、キャリアをカップリング光として、⽚のように CPT に影響するか、計算を⾏っ⽅のサイドバンドをプローブ光として⽤いた。なお、計算は図 3.1 のように緩和に影た。また、サイドバンドの周波数掃引を⾏響する複数の準位を中間準位として 1 つにうため、EOM は外部クロックとしてファ簡略化してまとめ、⾏った。

ンクションジェネレータ(FG)を参照して計算は光学ブロッホ⽅程式を⽴て、プロいる。FG の発振周波数を掃引すること|3⟩間ので、サイドバンドを掃引する。EOM から密度⾏列を解いた。計算結果は図 3.2 のよ

出てきた光はウィンドウを介してファブリうになり、この結果から中間準位を考慮しー・ペロー共振器にて観測し、キャリアとたほうが暗状態に落ちやすいことが分かっ

サイドバンドのパワー⽐の測定や FG の掃た。

引によるサイドバンドの周波数変化の測定

ーブ光の吸収に⽐例する準位|1⟩に使⽤した。Rb セルを通過した光は光検出器(PD)によって検出し、CPT 信号を得た。

図 3.1 計算で⽤いたモデル

図 4.1 実験系

図 3.2 計算結果
4. 実験
実験は図 4.1 のような配置で⾏った。使⽤した準位を図 4.2 に⽰した。まず 5S-5P遷移で CPT 信号を確認、実験系に問題がないことを確認した後、5S-6P 遷移にてCPT の観測を試みた。⽤いる光源はそれ

図 4.2 使⽤した 87Rb 原⼦のエネルギー準位

5. 実験結果
5.1 CPT 信号の観測
5S-5P 遷移にて測定した CPT 信号を
図 5.1 に、5S-6P 遷移にて測定した
CPT 信号を図 5.1, 5.2 に⽰す。どちらも図 4.2 で⽰すようにキャリアを F=1Fʼ=1、サイドバンドを F=2-Fʼ=1 に合わせ、セルの温度は約 47℃にて⾏っ

図 5.4 5S-6P での CPT 信号(磁場印加時)た。図 5.3, 5.4 より、5S-6P 遷移においても CPT 信号が確認できた。

5.2 CPT 信号強度の⽐較
5S-6P 遷移における CPT 信号がどれだけ⽴ちにくいのかを測定するために、キャリアとサイドバンドのパワー⽐・キャリア光強度・温度(原⼦数密度)を 5S-5P と 5S-6P で揃え、測定を⾏った。結果を表 5.1 に⽰す。このときのパワー⽐は 14.9%、キャリア光強度は

図 5.1 5S-5P での CPT 信号

41.4mW/cm 、温度は 47℃である。
表 5.1 信号強度の⽐較
遷移

信号⾼さ/mV

5S-6P

0.68

5S-5P

9.92

この結果より、同条件下では約 7%の信号強度しか得られないことが分かっ
図 5.2 5S-5P での CPT 信号(磁場印加時)た。この原因として吸収断⾯積の違いが考えられる。1 節で述べたように吸収断⾯積は波⻑の⼆乗とブランチングレートに⽐例するため、5S-5P と 5S-6Pの差は次のように⾒積もることができる。
σσ

図 5.3 5S-6P での CPT 信号

421nm
795nm

0.39MHz
1.41MHz8%

5.3 CPT 信号強度のガス圧依存性

6. まとめと今後の展望

5S-6P 遷移を⽤いた CPT 信号でも任本研究では、5S-6P 遷移を⽤いた CPT意の⼤きさを得ることができるか確認信号の観測に初めて成功した。また、5S-するため、温度を変えることによって6P 遷移では波⻑が短くなる分、CPT 信号ガス圧を変化させ、測定を⾏った。

強度が⼩さくなるが、ガス圧を上げること47℃と 90℃のときの CPT 信号をそれで 5S-6P でも⼤きい CPT 信号の強度を得ぞれ観測し、信号強度を⽐較した。結られることが分かった。

果を表 5.2 に⽰す。なお、温度と蒸気圧の関係は⽂献[2]を参照した。

これらの結果は 5S-6P 遷移でも暗状態の形成が可能であることを⽰しており、この遷移を⽤いた Gray-Molasses 冷却が可能で

表 5.2 CPT 信号のガス圧依存性[2]温度/℃蒸気圧/Torrあることを⽰唆している。

信号⾼さ/mV

今回観測した CPT 現象は、周波数基準

474.0100.68として⽤いられる原⼦時計への応⽤として900.9101.58

⾮常に精⼒的に研究がなされている。そのため、nS-nP 系と⽐較した nS-(n+1)P 系

結果より、ガス圧を 22.5 倍にするとにおける線幅の評価も重要と考えており、2.3 倍の信号強度が得られることが分か

今後は CPT 信号の線幅の各パラメータ依る。これも 5.2 節同様、吸収断⾯積が違存性の評価を⾏っていきたい。

うことによる結果だと考えられる。吸収断⾯積と原⼦数密度、蒸気圧は以下

7. 参考⽂献のような関係であるから、[1] 中村貴紀(2015)平成 27 年度卒業論⽂

σ ω ∝ 原⼦数密度
22.5 //∝ 蒸気圧/8倍となり、これ以外にも信号強度が変化する要因がある可能性があるが、ガス圧の変化によって 5S6P でも⼤きい CPT 信号強度が得られることがわかる。また、これらの原⼦数密度の条件では、線幅の⼤きな変化は⾒られていない。

[2] Steck(2003)Rubidium 87 D Line Data
[3] Michael Fleischhauer, Rev. Mod. Phys.
77, 633 (2005)