ヘリウム原子に関するレーザー冷却の研究
清水（富）研究室
笠島誉功[目的]
我々の研究室では現在ネオン原子を用いて量子反射の実験が行われている。
我々は、ネオンの代わりにヘリウム原子を用いて量子反射の実験を行うことを目標にしているが、その為にはまず原子波源として準安定状態ヘリウム原子の磁気光学トラップ（MOT）を生成する必要がある。よって本研究では、ヘリウ
ム原子の MOT の生成を目標としている。
ヘリウム原子を用いて量子反射の実験を行いたい理由としては、質量の軽い原子の方が量子反射においてより高い反射率を得られることが解っており、現在我々の研究室で量子反射の実験に用いられているネオン原子をヘリウム原子に置き換えた方が、より量子反射の観測には有利であると言えるからである。
また、我々は以前にネオン原子の MOT を生成して原子光学の実験を行っており、その時の装置を改造してヘリウム原子の MOT を生成することを目指した。
[原理・概要]図１にヘリウム原子のエネルギー準位図を示す。
23 P 2
ヘリウム原子もネオンと同じ希ガスであり、基底状
1083nm態とその上の第一励起状態との間のエネルギー差は非常に大きく（ヘリウムの場合１９．８eV）、真空紫23 S1外域なのでこれに代わるレーザーは存在しないので、この遷移を用いてレーザー冷却を行うことはできな
11 S0い。そこでまず基底状態１S0 から準安定状態３S1 へ放図１ ヘリウムの電によって励起させ、その上の状態３P2 との間の閉エネルギー準位図
じた遷移をレーザー冷却に用いる。この遷移波長は１０８３ｎｍである。また、原子の初速度を抑えるために、放電の出口部分を液体窒素で冷やしている。原子はその後ゼーマンコイルの中を通り、ゼーマンシフトによってドップラーシフトを補償されながらレーザー光によって減速され、その先に作られた四重極磁場によってトラップ

1

４２０される。トラップのためのレー原子He＊Ne＊
ザー光は４本ビームを用いてお原子質量（ｋｇ）
6.64×10-27 3.32×10-26
り、１本は正面からクーリング 自然幅 γ （MHz）
1.68.2
光と兼ねて用いられ、残りの３ 吸収・放出の１サイクル
本は装置外から入射して中の鏡に要する時間
2×1002×19.5によって折り返し、トラップの2τ （ｎｓ）、 τ = 1
γ
中心を通ってさらに鏡で反射させて装置の外へ出ていくように原子の受ける減速度なっている。
8.0×105
4.6×105h （ｍ/ｓ２）a=2τmλ
表１にネオン原子とヘリウム原子のレーザー冷却に関する各原子の初速度諸量を比較したものを示してあ1100
5002k B T （ｍ/ｓ）
v=る。この表からわかるように、m
ヘリウム原子の場合はネオン原 （300K での最確速度）
子よりも初速度は大きい（２倍） 停止までに要する時間
2.40.63が減速度は小さく、停止するまt = 2τN （ｍｓ）
でに要する時間は約４倍で、そ135
15.6
停止距離 l = 1 vt （ｃｍ）の距離は約９倍と長い。そのた2めにヘリウム原子を減速・トラ遷移波長（ｎｍ）640
1083
ップするためには、以前にネオ（23S1-23P2） （1S5-2P9）ン原子の MOT を生成するため
表１ ヘリウム原子とネオン原子のレーザー冷却にに用いていたコイル（約３０ｃｍ）関する各諸量より長いゼーマン冷却用コイルが必要になる。
ゼーマンシフトによってドップラーシフトを補償しながら原子を減速させていく為の磁場の形状は以下のように求まる。いま原子がｚ軸上を原点から正の方向に向かって運動しているとする。原子が一定加速度αで減速されながらz = l に到達した時に速度が v = 0 となるならば、位置と速度の関係はv = 2α (l − z )…(1)となる。遷移エネルギーのドップラーシフト量は速度 v の関数である。
∆E doppler = hkv = hv

λ…(2)一方、ゼーマンシフト量は磁場の大きさの関数であり、磁気量子数 ml の準位から磁気量子数 mu の準位への遷移の場合には、
2∆E zeeman = µ B (mu g l − ml g l )B(z )…(3)となる。ここで、 µ B はボーア磁子、 g u , g l はランデのｇ因子である。
式 (1) 〜 (3) よ り 、 ゼ ー マ ン シ フ ト 量 が ド ッ プ ラ ー シ フ ト 量 を 補 償 し 、∆E doppler = ∆E zeeman が保たれるような磁場の形状は、B(z) =hvµ B (m u g u − m l g l ) λ=hµ B (m u g u − m l g l )λ2 α (l − z )…(4)で与えられる。本研究のヘリウムの場合、 mu g u − ml g l = 1 となるのでB(z) =…(5)2 α (l − z )hλµ Bである。また、レーザーパワーが飽和光強度に比べ充分に大きい時、レーザー光による原子の減速度αはα ≅hΓλm…(6)で表せる。今回、我々は約３０ｃｍだった以前のコイルに約１ｍのコイルを付け足して全体のゼーマンコイルの長さを約１４０ｃｍにすることにした。この場合、上記の式を用いて我々はゼーマンコイルの入り口の磁場を 400Gauss にして初速 600m/s 以下の原子をトラップできると見積もった。
[装置の製作]・He 放電管の製作
レーザーの周波数を安定化させるために飽和分光法を用いるので、飽和吸収曲線を取り出すために He の放電管を製作した。先にも述べたように、He は希ガスなので放電で励起させる必要がある。以前に用いていたネオンも同様だったので、その時のセルと同様に製作したところ、わずか１日程で放電しなくなったので少し改良して製作しなおした。（図２）＜改善点＞
30(mm)
１：陰極側の電極を大きくした。これによって高いエネルギーを持つイオンがガラス管の壁に衝突して不純物を叩き出すのを防ぐことができる。また、放電を30(mm)開始する電圧も下げることができる。He-Ne レーザーの内部も同様な仕組みになっている。
２：製作の際、He 気体を封入する前に 400℃で 24140(mm)時間ベーキングした。これによって元々のガラス管内
図２3

He 放電管部の不純物をできる限り取り除き、He の純度を上げることができる。
また、この他の変更点としては He 気体の充填圧力はネオンの約 0.5Torr から約1.2Torr となった。これは 1kV で放電するように製作した為である。これによって現在は間に 23MΩの抵抗を入れて、放電電流約 44μA で使用している。このように製作した He 放電管は半年以上が経過しても放電を続け、まだ使用可能な状態である。
・ゼーマンコイルの延長以前にも述べたように、今回新たに約 1m のゼーマンコイルを以前に使用していたものに付け足してコイルの全長を約 140cm にした。（図３）これに、予め計算して求めた磁場になるように電流を流して、実際に磁場を測定した結果を図４に示す。
140(cm)100(cm)（追加分）

0X(cm)
図３

ゼーマンコイル
図４

磁場分布の測定[実験]
・光学系
レーザーは市販の半導体レーザーを用いてお Vり、1083nm の光をシングルモードで発振する
最大 50mW のレーザーである。この光を同じく市販の Yb ファイバーアンプに入力し、増幅させる。この増幅器は最大２W までの光を出すことができる。実験では出力は約 200mW で用いた。この光を 40MHz の音響光学素子(AOM)に通して、その+1 次光を 3S1-3P2 の共鳴線にロ70MHzックすることにより、-40MHz に離調された 0
図５ 飽和吸収曲線と微分信号次光を cooling 光と trap 光として用いた。レー
ザー周波数をロックするために前節で述べた He 放電管を用いて検出した飽和吸収曲線の dip とそれをもとに lock-in-amplifier から得られた微分信号を表示させたものを図５に示す。微分信号の極値間の幅は約 70MHz であり、真ん中に見えるノイズの乗った線が飽和吸収曲線である。He はドップラー幅が非常に大4周波数

きく（300K で約 5.2GHz）衝突幅も大きい。レーザー周波数の安定度は約 2MH程度である。
・実験装置
図６は実験装置の概略図である。装置の全長は約 320cm であり、合計４台のポンプで排気して高真空を保っている。さらにピンホールを２枚入れて真空度の向上を図っている。また、２枚の金属板の電極を入れることによって電場を作りだし、放電管から飛来してくる粒子のうちイオンや電子を偏向させて MOTチャンバー内へ進入するのを防いだ。MOT 生成の観測手段としては、1083nmの光を肉眼で観測するのは不可能なので micro-channel-plate(MCP)検出器を用いることにした。仮に MOT が生成されたとすれば、MOT 内で準安定状態 He*の 密 度 が 上 昇 し 、 He* ど う し が 衝 突 し て ペ ニ ン グ イ オ ン 化 （ He*+He* →He++e-+He）を起こす。これによって生成された He+は、表面が負に印加された MCP に衝突して MCP 内部に電子を叩き出し、光電子倍増管によって増幅された電子を電流として検出し、Amp.を通して photon-counter でこの信号を観測する。MOT が生成されていなくても、まっすぐに飛来してきた He*が装置正面のガラス窓に衝突して He*を生成するため常に信号は見られるが、仮に MOTが生成されればその瞬間から急Micro‑channel
激に信号が上昇するはずなので、
図６ 実験装置図plate(MCP)検出器
ピンホール
MOT が生成されたことが確認
ポンプ
できる。
放電管
・MOT 生成の試み
ポンプ
液体窒素 ポンプ
ポンプ
以上に述べたような装置でMOT の生成を試みた。放電管から最初のピンホールまでの間の真空漕の真空度は約 2×10-7 になるように放電電圧を調整した。これは以前にネオンの MOT を生成していた時と同じ値である。
また MOT チャンバー内の真空度は約 2×10-8 であった。電極には-160V の電圧をかけることによって photon-counter の値は半減したので充分効果があったと思われる。カウント数はだいたい毎秒数百個だった。この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 photon-counter の信号が急激に上昇する値を探した。またそれと同時にコイルに流す電流を少し増減させたり、光学系を微量ずつ動かしてみた。しかしながら、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。
・原子ビームの測定
MOT の生成ができなかったので、放電管からどれくらいの He*がどのような速度分布で飛来してきているのかを測定することにした。長さ 20mm,内径25mm のアルミ筒の底にステンレス製のアンテナ(長さ 20mm)を取り付けたフ5ァラデーカップを製作して、電極の後に設置しアンテナに正の高電圧をかけて、アルミ筒にはピコアンメーターを取り付けた。放電管から飛来してくる粒子にはイオン He+,電子 e-,準安定状態 He*,基底状態の He が考えられる。もし He*がファラデーカップに衝突すれば高いエネルギーを持っているので、e-を放出してHe+になる。e-はアンテナに吸い寄せられ He+はアルミに吸い付きピコアンメーターに正の電流を流す。もともと飛来してくる He+は電極に負の高電圧をかけることでファラデーカップに衝突するのを防ぐことができる。基底状態の Heがファラデーカップに衝突しても運動エネルギー程度しか持っていないのでイオン化は起こらず電流は検出されない。
１：He*数の測定
電流
図７ He*数の測定
原子ビームに対して垂直にレーザー光を照射して周波数を共鳴付近でゆっくりとスキャンす∆I ≈ 0.38nAると、周波数が共鳴に一致した付近でファラデー1nAカップの検出する電流が減少する。この減少分を⊿I とすれば、原子ビーム中の He*の個数は最低でも⊿I/e と見積もることができる。この測定で680MHz得られた信号を図７に示す。下に周波数マーカーとしてエタロンの信号を表示させている。定常的
0周波数に流れていた電流は約 6.4nA であり、これより見*9積もった He の個数は 2.4×10 個/s であった。
２：速度分布の測定
電流
今度は２本のレーザー光を原子ビームに対して照射する。１本は原子ビームに対して垂直に、もう１本は角度θをつけて照射すると電流が減少する所が２箇所∆ω ≈ 47 MHz現れる。この２つの電流減少ピーク間の距離⊿ωがドップラーシフト⊿ω=kvcosθである。この測定で得ら680MHzれた信号を図８に示す。図７と同様に周波数マーカーとしてエタロンの信号を下に表示させてある。測定は
周波数
図８ 速度分布の測定
θ=87°で行った。これより見積もられた He*の最確速度は 970m/s だった。また、これを温度に換算すると約 230K となり、原子の初速度を下げるための液体窒素が充分に働いていることが解る。
[まとめ]
以前にネオンの MOT を生成していた装置を改造してヘリウムの MOT 生成用の装置を製作した。また、原子ビームの特性を測定した。
現在もヘリウム MOT の生成に向けて努力中である。

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