低速リチウム原子を用いた
量子・物質工学専攻

背景と目的

原子干渉計の開発
清水研究室

鈴木 信也

せるので、干渉計に比べ、入射波の干渉に寄与する割合が高く、検出信号も大きい。
量子論では物質粒子は光と同じように波動性を持つと考える。通常、粒子として扱われる原子も光と同じように波動性を持つ。速度 で運動している質量粒子の量子力学的波長 ドブロイ波長

効果のは干渉計での干渉は効果によるものである。よくコリメートされたドブロイ波長
原子ビームがピッチである。ここではプランク定数、とを考える 図のの透過型回折格子に入射するこ。回折格子の振幅透過関数がは粒子の持つ運動量である。光の代わりに原子の波動性を用いたのが原子干渉計である。
原子は質量をもち重力ポテンシャルに敏感に反応し、多様な内部状態をもつため電場・磁場などのポテンシャル変化にも反応するので、原子干渉計は、光干渉計でと表されるとき、回折格子後方距離の位置での強度分布、すなわち原子密度分布はは測定できないポテンシャルの変化を測定できる。また原子は光よりもはるかに遅い速度で干渉計内を通過するため、原子の方が干渉計内での相互作用時間長くなり、光に比べ位相感度が極めて高くなる。となる。距離

本研究の目的は、冷却リチウム原子を原子源とした原子干渉計を構成することである。冷却原の時、原子密度分布は回折格子の透過率関数と同じパターンになる。これを効果という。

効果を起こす波長に依存した長さ子を原子源とした同型干渉計の構成は初の試みである。
また、光干渉計では測定できない光ポテンシャルによる原子散乱の測定を行なうことである。
を長という。

原子干渉計
である

干渉計では、回折波を空間的に分離するため微細な回折格子・入射波の十分なコリメーション・十分な距離が要求される。一方、干渉計は、 枚の透過型回折格子をそれぞれで配置することによって構成される。そのため、干渉計に比べコンパクトである。空間的にインコヒーレンスな入射波に対しても動作するため、コリメーションの必要がない。また、空間的に広がりをもつ検出器で動作さ

図

効果

干渉計原子干渉計はそれぞれ長で構成される 図
イ波長の遷移波長を持つ枚の透過型回折格子をの間隔で配置すること

光光によって閉じた冷却サイクルを作る。とまた飽和光強度は。コリメートされていないドブロの原子ビームが入射することを考える。一のスリットから生じた原子波は、枚目の回折格子で光を入れる。

効果によっての位置に、である。の透過率関数と同じパターンの干渉縞を形成する。コリメー
トされていない原子ビームが入射しているので、異なるスリットから生じた原子波は互いにコヒーレンスはの位置に干渉縞をない。よって、それぞれ独立に形成する。

全てのスリットから生じた原子波の寄与のインコヒーレントな加算効果 によって干渉縞が作られる。の位置の干渉縞の変化から位相変化を測定する。
であるをシフトさせながら全ての図原子のエネルギー準位透過原子を検出し、透過原子数の変化から干渉縞の変化を調べることが出来る。

装置
原子干渉計
原子干渉計を構成する

枚の回折格子は、生成できる原子ビームの速度、原子干渉計構成するときの取り扱い易さなどからピッチ、開口率％の回折格子を用いた。透過型回折格子について下の表にまとめた。
図

干渉計

実験
実験に用いる原子のエネルギー準位

また、過率

本 研 究 で は 磁 気 光 学 ト ラップいるエネルギー準位を図ンに示す。

原子は核スピが存在する。レーザー冷却には寿命して用いる。さらにを冷却遷移と、透原子の場合、同じ回折格子を用いて原子干渉計を構成すると、原子の冷却に用を持つため超微細構造、屈折率である。のによって冷却原子生成し、低速原子線として用いる。本実験に関係するの膜厚になり干渉計サイズがはによって生成された冷却長はになる。本実験で原子を用いているので原子干渉計に入射する原子の速度をと考えると、ド・ブロイ波長は式よりとなる。このド・ブロイ波長に対する長は、と計算できる。よって、 枚の透過型回折格子を間隔で平行に配置しを構成した 図

原子干渉計。冷却原子を用いたことで干以下になり小型の渉計サイズは原子干渉計を実現した。

図

ピエゾ素子の印加電圧に対する変位量から解放され光によって加速しパルス原子線として干渉計内に入射する。干渉計を透過した原子を、共鳴光である光によって蛍光で検出する。

検出信号を大きくするため、集光検出器を製作した。
図

原子干渉計枚の回折格子の配置の精度は以下の通り。
干渉計構成の精度
回折格子の間隔
溝の平行度
回折格子は作製したホルダーにそれぞれ固定されている。回折格子間隔の誤差はそれぞれ以下に図なっている。これはホルダーの作製精度によって決まっている。溝の平行度は、ホルダーが円柱状になっているのでそれぞれ回転させながらアライメントを行うこ以下になっている。とができ、誤差はており、最大であるはピエゾ素子に固定され＠シフトさせることができ干渉計配置製作した集光検出器は球面ミラー 枚を向かい合わせに集光するようになっているて配置し、図。集光効率は％ 計算値 。

図

集光検出器

る。ピエゾ素子の印加電圧に対する変位量の測定結果を図 にしめす。ヒステリシスをもつため印加電圧は下降させ用いている。
測定結果から、印加電圧に対し線形に変化しないことがわかった。

集光検出器から下に下に干渉計を配置し、干渉計の光を入射させてある 図。原子はプログラムの作成
測定では原子の信号が検出される 図

は時間、縦軸は蛍光強度 透過原子数 である。
原子は解放され、図 では・ドブロイ波長に検出された原子はに検出された原子は・の最大のシのシの位置に作られた原子密度分布 干渉縞 を調べるを刻みでシフトさせる電圧が自動出力される。測定の蛍光強度を測定し測定ごとのフト量に対する透過原子数の変化にプロットし直すと、ことができる 図信号を測定する。これを設定したフト量まで繰り返し行う。プログラムによってごとの干渉計入射原子数の変化を補償するため、である。の原子に注目して、をシフトさせ、のシフト量に対して透過原子数が変化しているのが分かる。の位置に対する干渉計

で・・である透過原子数の変化を測定するため、に検がわかる。重力による加速は無視できるためある。同様に。

光までの距離は信号から原子の速度とドブロイ波長出された原子は、速度測定の自動化を行うためプログラムを作成した 図に付近で干渉計透過原子からが検出されている。
なので。横軸信号を割る。また蛍光強度で信号取り込み・スムージング・表示・保存が自動処理される。作成したプログラムにのシフト量 ～よって、の一連の定時間が 分になった。これは従来の回の測に短縮されている。

。この干渉縞は明瞭度によって評価する。この場合は％である。

図

図

信号操作画面

実験結果
波長依存性の測定
原子干渉計は波長依存性をもつ。回折格子の配置間隔はに固定さに対すれている。これはドブロイ波長る長であり、ロイ波長では、が長ではないドブ効果が起きない。ドブロイ波長が変化する。

に対し原子干渉計の波長依存性を測定し計算値と比較することで、動作確認を行なった。
図

干渉縞

速度・ドブロイ波長、速度ブロイ波長、速度・ドブロイ波長の原子に対し、
図・ドを測定した。干渉縞の変化をに示す。ドブロイ波長では％、ドブロイ波長ではでは％、ドブロイ波長

乱光とは干渉計下方向から入射させた光を指す。散乱％ となり、ドブロイ波長によって光は回折格子によって回折し、回折光同士が干渉し合が変化してることを確認した。

い干渉計内に複雑な光電場ができる。原子と散乱光の相互作用は、複雑な光電場による光ポテンシャルによる散乱と、光子吸収による散乱が考えられる。
散乱光による原子の位相変化について考える。原子の光子吸収レートはより、原子の光子吸収散乱による位相変化はである。ここでは散乱光の照射時間である。また原子が受ける光ポテンシャル
図はドブロイ波長に対する干渉縞の変化の原子に対して同様の測ドブロイ波長定を行い、計算結果と比較した 図。横軸は原子のより、原子の光ポテンシャル散乱による位相変化はドブロイ波長％ である。

は、縦軸はである。原子の位相変化が、光子吸収散乱による位相変化と光ポテンシャル散乱による位相変化の足し合はわせとして表せると考えると、と記述できる。
図

原子干渉計の波長依存性は散乱光が無いときのある。散乱光の離調 が遷移の自然幅きいとき、式でよりも十分大は測定結果と計算結果がよく一致しているのが分かる。
原子干渉計が、正常に冷却原子を用いた動作することを確認できた。再現性もあることから、構成した原子干渉計が安定に動作するこが高かっとを確認した測定結果から、最もた速度・ドブロイ波長となる。さらに、変化率の対数をとり、符号を変えることでの原子で干渉計を動作させることに決めた。となり、原子の位相変化は、光子吸収散乱による光ポテンシャル散乱の測定構成したの項と、光ポテンシャル散乱によるの項の足し合わせになっていると考えられる。

原子干渉計で原子の位相変化を測定する。干渉計内に散乱光を入射し、干渉計を通過する原子に作用させることで位相変化を起こす。散原子の遷移周波数に対し～の離調δをとった散乱光を入射させ測定。

原子が干渉計内から上方の位置で測定した。散乱光強度

シャル散乱による位相変化は散乱光による位相変化とである。

ほとんど一致している。このことから、原子の位相変変化の測定結果を横軸を離調の逆数、化は光ポテンシャル散乱によることがわかった。。

でプロットし、 をパラメータと縦軸をした関数

まとめ
原子干渉計を作製でした図。飽 和 光 強 度、自然幅、原子干渉計が動作す

・冷却原子を用いてることを確認した

・冷却原子源を用い、干渉計部分が以下の小型原子干渉計を構成の・測定制御のプログラムを作成

測定時間がに短縮・構成した干渉計の波長依存性を測定し、計算値とよく一致し正常かつ安定に動作していることを確認
光ポテンシャル散乱による位相変化の測定
・光干渉計では測定できないポテンシャル変化での位相変化を測定した
図

位相変化

後照射でよくフィットしていることが分かる。また
原子の位相変化がに線形であるように見える。図に、光子吸収散乱だけを考えた位相変化、すなわち式のの項と、光ポテンシャル散乱だけを考えた位相変化、すなわち式示させた 図

図のの項を重ねて表。一番下の破線 緑色 が光子吸収散散乱光による位相変化乱による位相変化を表している。その上の破線 橙色が光ポテンシャル散乱による位相変化を表している。
光子吸収散乱による位相変化はこの範囲の離調に対してほとんど変化しないことがわかる。一方、光ポテン

今後の展望干渉計内に衝突実験（ガスを注入し、係数の決定

原子との