準安定状態アルゴン原子トラップの研究
量子・物質工学科

清水研究室

0313016

臼倉潤

１．目的
我々の研究室では準安定状態アルゴンの冷却原子を用いて、固体表面との相互作用の研究を目指している。第一段階として準安定状態アルゴン原子をレーザー冷却し、磁気光学トラップ(MOT)によりトラップする必要がある。本研究の目的は、MOT のための実験装置を構築し、トラップを生成することにある。

２．方法
2.1 実験装置

ターボポンプ

実験装置の概要を図１に放電管示す。まずソースチャンバ

反ヘルムホルコイル

LN2

ー内で放電によってアルゴン原子を励起させ、トラッレーザー光

Ar

Ａｒ*

プチャンバーへ射出する。

ゼーマンコイル
トラップチャンバー

ピンホール

この際、準安定状態アルゴン原子の最確速度を抑える

ソースチャンバー

図１

実験装置概要ため液体窒素で冷やす。次に原子はゼーマンコイル内を通り、ドップラーシフトをゼーマンシフ
トで補償されながら、正面から対向に照射した共鳴レーザー光によって冷却される。その後、冷却した原子はトラップチャンバー内で MOT によりトラップされる。
2.2 レーザー冷却
図２はアルゴンのエネルギー準位図である。
基底状態と第一励起状態の差が大きいので、放電により励起する。第一励起状態の準安定状態である全角運動量 J=2 の準位と、第二励起状態

3P5(2P01/2) J=2
J=34P1J=1
冷却遷移波長 811.754nm
3P5(2P01/2) J=1
J=04S1

第一励起状態

J=1
J=2の J=3 の準位の閉じた遷移間を冷却に用いる。
この冷却遷移波長は 811.754nm である。

第二励起状態

11ev
3P6

準安定状態

J=0
図２

アルゴンのエネルギー準位図

表１は準安定状態アルゴン原子のレーザー冷却に関する諸特性を示したものである。
T＝500K としたときの停止するまでの距離は 46cm で、ゼーマンシフトで補償する実際のコイルの長さは 70cm なので冷却のためには十分な長さであると考えられる。

表１ 準安定状態アルゴン原子のレーザー冷却に関する諸特性

反跳速度

VR = h/mλ

1.2×10-2 [m/s]

冷却遷移波長：λ= 811.754 [nm]最大減速度

αmax = h/2mλτ

2.3×105 [m/s2]

原子遷移の上準位の寿命：τ= 27 [ns]飽和パワー

I0 = 2πλ3τ

8.6 [mW/cm2]

原子質量：m = 6.63×10-26 [kg]
自然幅：γ= 5.9 [MHz]

停止するまでのN = Vmλ/h

37000 [回]停止するまでの時間

t = 2Nτ

2.0 [ms]

停止するまでの距離

l = Vt/2

46 [cm]

吸収・放出回数

マクスウェルボルツマン分布でのT=500K における最確速度：
V= 2k BT / m = 460 [m/s]

2.3 ゼーマン同調法
図３に測定した磁場分布のグラフを示す。
①②③

レーザー光

Ar＊

コイルに流した電流500①：106 [A] ②：30 [A] ③：15 [A]400

最大磁場：400 [G]
ゼーマンコイルの最大磁場勾配：
10 [G/cm]

B [G ]

300

トラップ中心の磁場勾配：
13 [G/cm]

ゼーマンコイルの最大磁場勾配200

トラップ中心の磁場勾配

最大磁場1000-1000102030405060708090100 110120 130

x [cm]

図３

磁場分布

最大磁場より計算すると、460m/s 以下の速度の原子をゼーマンコイルで補償できると見積もった。また最大磁場勾配より磁場勾配の限界を考えると、条件を満たし共鳴から外れることなく冷却される計算となった。
2.4 磁気光学トラップ(Magneto-Optical Trap : MOT)
MOT とは、不均一磁場によるゼーマン効果と円偏光による遷移の選択則を利用しσ-て、原子の位置に依存する復元力を生み出 減速兼トラップレーザー
すトラップである。本実験では４本レーザ

Ar*σ+ーによる MOT を試み、円偏光にした減速

σσ-兼トラップレーザーと、逆回りの円偏光にトラップレーザーした３本のトラップレーザーが正四面体の各頂点から重心に向かって入射し、各方向

図４

反ヘルムホルツコイル

４本レーザーによる MOT 図成分の合計がトラップの中心で釣り合うようにした。ここで、減速兼トラップレーザーは冷却効率を上げるため放電管前のピンホールに焦点を合わせた。そして、反ヘルムホルツコイルのつくる四重極磁場のゼロ点はトラップの中心に合うようにした。トラップ中心でのレーザーのパワー密度とビーム径は表２のようになっており、準安定状態アルゴンの飽和パワー密度 8.6mW/cm2を満たす値を得ている。また、トラップ中心の磁場勾配は 13G/cmで目標の 15G/cmに近い値を得ている。
表２ トラップ中心でのパワー密度
減速兼トラップ

トラップ①

トラップ②

トラップ③

パワー密度[mW/cm2]

10.2

10.2

10.210.2

ビーム径[cm]

1.82.02.02.0

Ar の飽和パワー密度
8.6 [mW/cm2]

３．実験
3.1 ビートの測定
MOT を生成する際は、レーザー光の周波数を共鳴周波数より 10~20MHz（アルゴンの自然幅の 2~3 倍）程度負に、1~2MHz 精度で離調する必要がある。プローブ光として独立したレーザーを共鳴周波数にロックして、マスター光とのビートの周波数差を測定することにより、目的の周波数を得られるようにした。
マスター光とプローブ光のビート

マスター光のセルフビート

プローブ光のセルフビート

4MHz

2MHz

10MHz

100MHz

8~10MHz（半値全幅）
図５観測したビートスペクトルPD

図ｘはビート測定の光学系図と観測したビ
マスターレーザー

AOMートの画像である。マスター光とプローブ
80MHz
shift

光のビートを観測したところ、スペクトルスペクトラム
アナライザー

幅が 8~10MHz に広がっていた。トラップのためにはもっと狭いスペクトル幅が必要

100m ファイバーで、広がる原因を探るためマスター光、プローブ光それぞれのセルフビートを測定した。
セルフビートは AOM でレーザーを２つに分プローブレーザー

図６

ビート観測の光学系

け片方の周波数を 80MHZ ずらし、さらに 100m の光ファイバーに通しコヒーレンスを悪くすることで測定できるようにした。その結果スペクトル幅は、アルゴンの自然幅から考えると1~2MHz となるところ、マスター光が 4MHz、プローブ光が 2MHz となっていた。スペクトル幅が広がる原因としては、半導体レーザーの共振器の振動、温度の揺らぎ等の影響が考えられ改善していく必要がある。
3.2

MOT 生成の試み

以上に述べたような条件下でレーザー周波数をゆっくりとスキャンして CCD カメラで MOTされた準安定状態アルゴン原子の吸収の蛍光を観測できる値を探した。またそれと同時にコイルに流す電流を少し増減させて磁場のゼロ点を調整したり、λ/4 板を動かし円偏光の向きを変えてみたりした。しかし蛍光は観測できなかった。
次にMOT生成の観測手段として、マイクロチャンネルプレート(MCP)を用いることにした。
原理としては、MOTが生成されたとすれば、MOT内で準安定状態Ar＊の密度が上昇し、Ar＊同士が衝突してペニングイオン化(Ar＊+Ar＊→Ar＋+eー+Ar)を起こす。これによって生成されたAr＋は、表面が負に印加されたMCPに衝突してMCP内部に電子をたたき出し、これを電流として検出し、アンプを通してフォトンカウンターでこの信号を測定する。MOTが生成されていなくても、まっすぐに飛来してきたAr＊がチャンバー内の残留ガスに衝突してAr＋を生成するため常に信号が見られるが、仮にMOTが生成されればその瞬間から急激に信号が上昇するはずなので、MOTが生成されたことが確認できる。
しかし MCP 入力電圧に-2kv をかけて、蛍光を観測する時と同じようにレーザー周波数をゆっくりスキャンしてみたが、MOT が生成されたと確認できるような信号の増加は見られなかった。
またここで、アルゴンの圧力、放電管にかける電圧を変化させた時MCPで検出される信号に再現性がないこと、また放電の色が変化してしまうこと、さらに放電管の出口で吸収の蛍光により確認したAr＊の最確速度が、放電管を液体窒素で冷やしても変化しないことが判明した。このことから放電管が不具合を生じているか、構造上に問題点がある可能性があるので、放電管を作り直すことにした。

４．今後の課題
MOT 生成に向けて今後の課題として、・半導体レーザーの出力の強化、スペクトル幅の狭窄化・放電管の作成・ディフレクターの設置を考えている。