準安定状態アルゴン原子と固体表面の相互作用の研究
情報理工学研究科

先進理工学専攻 応用物理工学コース
清水和子研究室
1033095 山戸宏太

1. 研究背景

V=−𝐶3𝑅3(𝐶3 ：相互作用係数)

近年、希ガス原子と固体表面間のファンと与えられる。原子と固体表面の相互作用

デルワールスポテンシャル係数 C3 の測定が係数 C 3 については原子回折の回折パター行われるようになり、超音速原子ビームをンを解析することにより定量的に測定する

用いて基底状態 He、Ne、Ar、Kr、準安定ことができる。

状態 He、Ne、について実験が行われ係数

我々の研究室では準安定状態 Ar 原子のC3 が報告されている。レーザー冷却・トラ

磁気光学トラップを生成しており、これをップ技術の利用により速度が 1m/s 以下の超原子源として透過型回折格子からの原子波低速原子ビームの生成が可能になった。超の回折実験を行うことが可能となった。

低速原子ビームは微弱なポテンシャルの影響を受けて波の位相が大きく変化するため、表面ポテンシャルの検出に有用である。ま

2. 研究目的た超低速原子ビームはド・ブロイ波長が数準安定状態Ar 原子の磁気光学トラップnm となり、幅が数百 nm のスリット列からを生成し、低速のAr 原子を透過型回折格子なる回折格子からの 1 次回折角は 10 radに通過させ原子回折パターンを観測しレー以上になる。原子を冷却することにより回ザー冷却・トラップした準安定状態アルゴ折角が大きくなるので、実験装置を小さくン原子を原子源とし、透過型回折格子を通することか可能となり測定が容易になる。

過した回折パターンを観測・解析すること

分子間には凝縮力や斥力の要因としてフによって、アルゴン原子と固体表面との相ァンデルワールス力が働いていることが知互作用係数を定量的に求めることである。

られている。そのポテンシャルエネルギー

C3 は 熱 原 子 を 用 い た 先 行 研 究 か ら

は原子‐原子ではその距離の 6 乗に反比例7.4meVnm3 と見積もられている。我々の研して、究室では低速原子を用いた原子波回折実験-3V=−𝐶6𝑅6(𝐶6 ：相互作用係数)と与えられ。原子－固体表面ではその距離の３乗に反比例して、を行うことでより正確な C3 の値を見積もられると考えている。

3. アルゴン原子

4. 原子波回折

本研究の原子源として用いているにアル光が粒子性と波動性を併せ持つように、ゴン原子のエネルギー準位を図 1 に示す。

量子力学では原子もまた粒子性と波動性を同時に併せ持つ。光の回折実験のように原子波においても回折格子を通過させて回折パターンを観測することができる。原子波の波長をド・ブロイ波長λdBといい、λdB=h/mvと表される。
本実験では原子を自由落下させ回折格子を通過させて回折パターンを観測する。自由落下する原子が重力により加速されると、ド・ブロイ波長が短くなり、干渉縞の間隔が重力により影響を受ける。

図 1 アルゴン原子のエネルギー準位図
アルゴン原子の準安定状態となる準位はの =第一励起状態
基底状態

6と = である。

からグロー放電により、第一励の = の準安定状態を生成

起状態の = との間で冷し、第二励起状態却遷移となる。冷却遷移のレーザー光の波長は 811.754nm また上準位の寿命は 27ns で

図 2 自由落下する原子波回折ある。トラップから原子を解放させるため、
波長 912.547nm のトランスファーレーザー

また原子波回折では透過型回折格子のスの = からリットの壁からも影響を受け、これをファ光により、第一励起状態冷却レーザーと磁場の影響を受けない第二の = へ励起し、第一励起励起状態状態の = の準安定状態へ遷移させる。また、の = の原子はンデルワールス相互作用という。
原子と固体表面間におけるファンデルワールスポテンシャル V は原子と固体表面との距離 R として = −𝐶3⁄𝑅 3となる。これはの 2 つの = へ遷移する原子もあり、これスリット間での原子波の位相 に影響する。

らの原子は基底状態へと落ちるとき真空紫単スリットの中心とゼロ、スリット幅を w

外光（VUV）を発する。

原子のスリット間での位置 とすると、単スリットでの振幅透過関数 ( )は( )={[( )] | || |⁄⁄となる。と書き表すことができる。多重スリットでは原子がスリットの両壁から受けるファンデルワールスポテンシャルV( )は=(𝐶3⁄ )3となり、ファンデルワールスポテンシャルから原子波の位相変化 ϕ( )は𝛥 ( )=𝑡[ ( ) + − ( )]ℎ𝑣 +πax 2
Nπbx 2sin (sin ()λz ] [λz )]I(x) = [ πaxπbx( λz )sin (λz )となる。
図 4 はスリット幅 b とスリット間隔 a の比が 1:2 のときの回折パターンの強度分布を表したものである。2 次の回折は観測されない。点線は単スリットの場合であり、となる。t はスリットの厚さ、v はスリットを通過す

実線は多重スリットの場合である。スリッる原子の速度である。スリット通過後の原子のトの数が増加することで強度が大きくなり、位相変化は図3のようになる。

線幅は狭くなる。
スリット幅とスリット間隔の比が1:2でない場合は2次の回折が現れる。
図5はスリット幅とスリット間隔の比が0.8:2のときの回折パターンの強度分布を表したものである。図4では見られなかった±2次の回折パターンが見られるようになる。
アルゴン原子と表面との相互作用により、実図 3 スリット通過後の原子波の位相変化効的なスリット幅が狭くなり±2次の回折ピークが現れることが予想される。

原子波の位相がそろっているとき回折パターンはみられるので、ポテンシャルを受け位相のずれが π よりも大きくなってしまうと干渉に寄与しなくなり、実効スリット幅は実際のスリット幅よりも狭くなる。
今回の実験ではスリットと観測面との距離が

図 4 a:b=1:2 のときの回折パターンの十分離れているため、フランホーファー回折パ強度分布ターンが観測される。
観測面 x での回折パターンの強度 I(x)は aをスリット幅、b をスリット間隔、z をスリットと観測面との距離、N をスリットの数とすると単スリットではπax 2sin (𝜆𝑧 )]𝐼( ) = [ πax()𝜆𝑧

図 5 a:b=0.8:2 のときの回折パターンの強度分布する。

5. 実験
5.1

真空系

真空装置はソースチャンバー、トラップチャンバー、ディテクタチャンバーに分けられる。ソースチャンバーはアルゴンガスを注入し、液体窒素で冷却しながら放電管により準安定状態に励起し原子ビームを流している。ゼーマンコイルを通して原子をレーザー冷却した後、トラップチャンバー
図 7 光学系 （光源側）でトラップしている。トラップされた原子を下のディテクタチャンバーへ重力により落下させ、ディテクタのマイクロチャンネルプレートで検出している。

注入同期レーザーから出力した③のレーザーを PBS で 2 本に分け、計 4 本のレーザーとトラップコイルにより準安定状態 Ar原子を磁気光学トラップする。

図 8 光学系（トラップチャンバー側）
図 6 真空系

5.35.2回折装置

光学系

温度と電圧を調整し、レーザー発振器から811.754nm のレーザーを出力させる。出力したレーザーは PBS で分け、一方はアルゴンガスで満たされたセルを往復させ、飽和分光法により周波数ロックし、発振器へとフィードバックさせる。もう一方は、3台の注入同期レーザーに注入し、レーザー出力を増幅させる。
4本のレーザーすべてにおいて、波長計とオシロスコープにより波長が合っているかシングルモードであるかを見ながら電圧・温度を調整

図 9 ディテクタチャンバー

カメラレンズを取り付けたファイバーかトと平行になるように置いている。スリッらトラップの中心に集光するようにトラン

トは図 11 のように並んでいる。回折格子のスファー光を照射し、トラップから原子を厚さ 100nm、スリット幅は 1μm、スリット解放させる。トラップから解放された原子間隔は 2μm で 10μm の補強が入っている。

は 23cm 下の直径 3mm の穴を通過し、トラップから 38cm 下に置かれた幅 0.3mm のスリットと回折格子を通過させる。回折格

6. 結果と考察

子を通過した原子は回折し、その回折パタ

まず、回折格子を置かず、トラップチャーンは 67cm 下の MCP と蛍光板により検ンバーとディテクターチャンバーをつなぐ出される。蛍光板をイメージインテンシフ

直径 3mm の孔を通過して MCP に落下する

ァイアと CCD カメラで撮影し、パソコンに原子を測定した。トランスファー光のパワ画像を取り込み Labview で長時間加算する

ー3nW で 10 分間積算すると、図 12 のようことで回折パターンを観測する。

な画像が観測された。

5.4

回折格子

図 10 回折格子とスリットの配置図

図 1210 分積算した画像（回折格子なし）

図 13 に示すように、光の場合はトラップ下の直径 3mm の穴を射影したパターンが観測されるが、原子の場合は重力により放物線状の軌道で落下してくるので、光の場
図 11 光学顕微鏡で観測した回折格子
回折格子は 3mm×3mm と大きく、このままでは 0 次と 1 次の回折パターンが重なってしまう。そこで、分解をよくするために回折格子の上に幅 0.3mm のスリットを置き原子が回折格子を通過する範囲を狭める。0.3mm のスリットは回折格子のスリッ合よりも落下する範囲が小さくなる。このことから、大きい円は真空紫外光(VUV)であり、中の小さい円は原子であると考えられる。

く 0 次と 1 次の SN 比が悪くなってしまった。

7. まとめと今後の課題
原子の速度分布幅を狭くするためトラップと

図 13 真空紫外光とアルゴン原子の重力下での落下軌道

回折格子の距離を22cm から38cm に伸ばし、回折パターンの間隔を長くするため回折格子からディテクタまでの距離を30cm から67cm に次に、回折格子を置き、トランスファー伸ばした。その結果、図14の回折パターンを光のパワー3nW で 2 時間積算すると図 14観測することができた。今後の課題としては、のような画像が観測された。

・バックグラウンドのノイズを減少させ SN比を改善するため、装置の改良を行うこと。
・±2 次の回折パターンが観測できるよう落下原子の原子数の増加を図ること。
・解析を行い、原子と固体表面との相互作用係数の定量的な測定を行うこと。
が挙げられる。

参考文献[1] R.Eisenschitz and F.London. Z.Phys. 60,491(1930).
[2] J.Lenerd-Jones. Faraday Soc. 28,333 (1932).
[3] E.M.Lifshitz. Zh.Eksp.Teor.Fiz 29,94(1955).
[4] J-C Karam, N Wipf, J Grucker, F Perales, M
Boustimi, G Vassilev,V Bocvarski, C Mainos,
J Baudon and J Robert J. Phys. B: At. Mol.

図 14 2 時間積算した画像（回折格子あり）と強度グラフ

Opt. Phys. 38 (2005)[5] John D.Perreault,Alexander D.Cronin,T.A.Savas.Phys.Rev.A 71,053612(2005)

図 14 のパターンのピークの間隔は 0.9mm[6] John D.Perreault, Alexander D.Cronin.となり、この値は計算値 0.93mm とほぼ合

Phys.Rev.Lett. PRL 95,133201(2005)

うので、このパターンは回折格子による 0[7] Alexander D. Cronin, Jӧrg Schmiedmayer,

次と±1 次の回折パターンだと考えられる。

David E. Pritchard. Rev. Mod. Phys. Vol. 81 July –しかし、バックグラウンドのノイズが大き

September (2009)[8] 光学概論Ⅱ－波動光学－, 辻内順平, 朝倉書店