少数光⼦⾮線形効果の観測に向けた
Rb 原⼦の磁気光学トラップの作製
丹治研究室 孫東根

1．背景と⽬的レーザーが発明された以来、多くの分野で応⽤されてきた。レーザーを⽤いて量⼦⼒学的な現象が実験的に検証されてきており、数多くの研究分野が新たに⽣まれている。状態の重ね合わせを利⽤して光⼦によって並列処理を⾏う量⼦計算や、測定によって光⼦の状態に擾乱が⽣じることを逆⼿に取った量⼦暗号通信などがその具体例として挙げられる。
特に量⼦計算の場合、量⼦計算機を⽤いた演算には、計算に使⽤する各ビットの状態を任意に設定できることに加えて２量⼦間に働く相互作⽤を必要とする。⼀⽅のビットが他⽅のビットの状態により決定される量⼦ゲートにおいては２つのビット同⼠が効率よく相互作⽤する必要がある。量⼦暗号通信においては光⼦が量⼦ビットの有⼒な候補であるが、光同⼠は相互作⽤が働かず、媒介物質として⾮線形性物質が必要である。通常は⾮線形物質で⾮線形効果を観測するには⾼強度の光が必要であり、またロスも⼤きくなる。少数光⼦に対する⾮線形性を⾼い効率で観測するには、物質と光を強く相互させる必要があり、さらにその過程に発⽣するロスも⼩さくする必要がある。２つ条件を満たすことは⾮常に難しく、光を⽤いた量⼦情報処理の⼤きな問題点となっている。我々の研究室ではこれらの問題を解決し、少数光⼦⾮線形効果を観測するために cavity QED を⽤いるが、その際に⾮線形物質として⽤いる冷却原⼦を作るために磁気光学トラップが必要である。本論⽂では磁気光学トラップの作製と特性評価を⽬的とした。

2．原理
2.1

ドップラー冷却𝜔#𝜔"

図 1：２準位原⼦の光吸収のドップラー効果
原⼦にある特定の周波数のレーザーを当てることにより原⼦を冷却することができる。
図１のように、対向する光はドップラー効果によって原⼦が感じる周波数が⾼くなる。そのため原⼦は共鳴周波数より⼩さい周波数𝜔" の光を照射すると、対向する光を選択的に吸収することができる。この散乱過程を繰り返すと原⼦はエネルギーを失い、冷却される。

2.2 磁気光学トラップ（magneto-optical trap; MOT）
原⼦を捕獲するには、原⼦のエネルギーに位置依存性を持たせる必要がある。その位置依存⼒は、適切に偏光されたレーザー光を⽤いること、トラップ領域に不均⼀な磁場をかけることによって⽣じさせることができる。

図 2：四重極磁場（左）、ゼーマン効果による原⼦準位のシフト（右）不均⼀磁場により⽣じるの位置に依存したゼーマンシフトにより、位置に応じて原⼦は特定のビームからの光⼦を選択的に散乱する。その結果、原⼦は空間の特定の点（磁場０の点）に押し戻され、磁場０の点におけるトラップが実現する。これは MOT の原理である。
2.3 周波数安定化

780.245 nm

図 3：MOT 作製のための必要な光源の安定周波数
本研究で取り扱う光源は３つである。MOT を作製するための光源は MOT 光と Repump
6.834GHz光であり、MOT 光と Repump 光をそれぞれ安定化させるための基準となる光源としてRe
ference 光を⽤いる。まず、Reference 光を Doppler-free DAVLL という⼿法を⽤いて原⼦の吸収線に対して安定化させ、それを基準に MOT 光と Repump 光を Delay-line 法を⽤いて安定化させる。

Delay-line ロック
MOT 光Reference 光
Repump 光

図 4：光源の周波数安定化の流れ

3.

実験

3.1 Reference 光の周波数安定化
Reference 光の安定化には本実験では Doppler-free DAVLL という⼿法を⽤いた。Doppler-free DAVLL は直交する円偏光による飽和吸収分光のスペクトルに磁場をかけることによってわずかな周波数差を⽣じさせ、その２つの差分信号からエラー信号を得てロックする⼿法である。

図 5：Doppler-free DAVLL の飽和吸収エラー信号
この⼿法を⽤いて実際に得られた信号は次のようになる。
ABA-B

図 6：Doppler-free DAVLL 法から得られたー信号
3.2 MOT 光と Repump 光の周波数安定化
安定化された Reference 光を⽤いて MOT 光と Repump 光を安定化させることができる。
本実験では Delay-line 法を⽤いた周波数オフセットロックを⾏った。

図 7：Delay-line 法のための回路
２つの光のビート信号を２つに分け、⼀⽅を delay line に通し、他⽅と⼲渉させることでエラー信号を得ることができる。得られた信号（図８）を⽤いてレーザーにフィードバックをかけてロックすることで MOT 光と Repump 光を安定化させる。

Repump 光

MOT 光
図 8：MOT 光（⻩緑）と Repump 光(⽔⾊)のエラー信号
3.3 真空チャンバー
安定化された光を真空チャンバーの中に⼊射することによって磁気光学トラップが実現される。

図 9：安定化された光の偏光調整（左）、真空チャンバーに⼊射（右）チャンバーの真空度は5×10() Torr であり、四重極磁場のコイルの半径は 5cm、距離は 10cm、巻き数は 120 回、コイルに流れるす電流は 3.5A の時磁場は 11G/cm であった。

11G/cm

図 10：コイルによる磁場の Fitting グラフ
しかしながら、これまでのところ MOT の観測には⾄っていない。その原因として考えられるのは１つ⽬は、光の周波数が正しい所にロックされていることである。２つ⽬は、安定化された光をチャンバーに⼊れる際の偏光調整が正しいことである。さらに、チャンバーの真空度が適切であることと、原⼦数が⼗分であることなどが考えられる。

4.

結果と展望

3.3 節で述べたように、磁気光学トラップの実現条件が満たされていないため本実験では磁気光学トラップの実現ができなかった。特に、MOT 光の周波数安定化がうまくいかなかった点が最⼤の原因だったと考えられる。今後は、トラップを作製することとさらに、磁気光学トラップの特性評価をすることである。

参考⽂献[1]: Rubidium 87 D Line Data（Daniel Adam Steck: Oregon Center for Optics andDepartment of Physics, University of Oregon）[2]: Laser Cooling of atoms (D. wineland, W. Itano, Phys, Rev.A20, 1521(1979)[3]: Doppler-free spectroscopy using magnetically induced dichroism of atomic vapor:a new scheme for laser frequency locking (T. Petelski, M. Fattori, G. Lamporesi, J. St
uhler, and G.M. Tino, Eur. Phys. J. D 22, 279‒283 (2003)[4]: Simple scheme for tunable frequency offset locking of two lasers (1999 American
Institute of Physics S0034-6748(99)00201-4)[5]: Laser Cooling and Trapping (Halod J. Metcalf, Peter van der Straten. Springer 出版)