狭線幅遷移を用いた 6Li 原子のレーザー冷却
先進理工学専攻

向山研究室

1.1 背景松田優衣

本研究の目的は従来用いられてきた冷却遷移に電磁場および光を用いて捕獲・冷却された原子比べより狭線幅にあたる 22S1/2→32P3/2 遷移を用やイオンは、その外部自由度、内部自由度、ならいてレーザー冷却を行い高密度の縮退原子を観測びに粒子間相互作用を自由に制御できるため、することである。レーザー冷却限界温度と冷却遷様々な物理現象の観測のために研究ならびに応用移の自然幅は比例関係にある。このため自然幅のがなされてきた。本論文では中性原子の極低温物

狭い遷移を用いた冷却は、自然幅の広い遷移を用理の解明のために改善されるべき当研究室での縮いた冷却より多くの原子を冷却できることが知ら退原子生成上の課題、およびそれを解決するためれている。本研究では狭線幅遷移 22S1/2→32P3/2 をのレーザー冷却方法の提案を行う。

用いたレーザー冷却のために波長 323nm 紫外光

本研究室では中性子原子の超流動の観測を行うレーザーの開発を行った。更に紫外光に周波数安ために中性原子である 6Li の冷却を行っている。

定化を施すことで数百 kHz の吸収線幅を持つ原子

6Li を冷却するための手順として磁気双極子トラにレーザー光を共鳴させレーザー冷却を実現する。

ップを用いた捕獲、ドップラー冷却および蒸発冷1.２先行研究に対する本研究の位置づけ却が行われる。ドップラー冷却においては 6Li の共鳴周波数に当たる 671nm 光を冷却光として用狭線幅遷移を用いたドップラー冷却は 2011 年

い、磁気光学トラップ(Magneto-Opticalにトロント大学のグループによって 40K の冷却にTrap :MOT)を構築して原子の捕獲・冷却を実行より実現している。彼らは 4S1/2→4P3/2 と言う遷する。その後、光双極子トラップに原子を移行し移をもちいて 40K を 69μK まで冷却することに成蒸発冷却を開始する。図 1 に示すように蒸発冷却功している。このときの冷却光は 405nm 光であでは運動量を持った原子を捨て運動量の少ない原り、MOT として 6 方向からの照射による捕獲と子だけをトラップ中に残すことで、原子集団全体冷却に用いられた。2012 年アメリカ合衆国ライスの温度を下げる。このためドップラー冷却終了時大学の点での冷却温度が高いほど、蒸発冷却時に多くのいた 6Li 原子のレーザー冷却に成功し原子の温度原子をトラップから捨てるため、原子集団の密度を 59μK 以下まで冷やすことに成功した。彼らのが下がり、原子の縮退が起こりづらくなる。

行った研究では 6Li の遷移の中で従来冷却に用いR.G.Hulet

氏のグループが狭線幅を用られてきた 671nm の遷移(22S1/2→22P3/2)よりも狭い自然幅を持つ 323nm の遷移(22S1/2→32P3/2)が用いられた。当グループでは波長 323nm の紫外光を30mW 近く使用し MOT を構築している。この方法では原子の 6 方向からの閉じ込めと冷却を実現している。
図 1：初期温度の異なる蒸発冷却の各イメージ図1

調整することができる。更に MOT を構築しないため小さな出力でレーザー冷却を行うことができる実験室できるため、冷却用の紫外光レーザーを比較的簡単に用意できる。
本研究では先行研究で用いられた波長323nm紫外光源を実験室において製作し、周波数安定化を施した。更に光双極子トラップを用いて原子を捕獲している間に製作した紫外光を用いてドップラー冷却を行った。この研究の最終目標は原子の冷却温度を従来冷却に用いられてきた22S1/2→32P3/2遷移における冷却限界温度まで下げることを目標
図 2： 6Li のレーザー冷却に用いられる遷移としている。本研究で用いた方法で冷却を実現できれば、MOTを組まずとも実験室で製作できる

図 2 は先行研究で用いられた 6Li の冷却遷移でような微量の紫外光で狭線幅遷移22S1/2→32P3/2レある。従来冷却に用いられてきた 22S1/2→22P3/2 間ーザー冷却が可能であることが示され多くの実験の自然幅 6MHz と比べ自然幅は 754kHz と 10 分の室で応用が期待できる。ドップラー冷却限界温度1 近く狭くなっている。自然幅が狭くなった結果まで冷却ができなくとも、光双極子トラップを用

冷却限界温度も 18μK とおよそ 10 分の 1 程度小さ

いた蒸発冷却の開始点において運動量を持った原くなる。しかし紫外光の磁気光学トラップによっ子を減らすことができ、蒸発冷却終了後の光トラて高温の原子集団を捕獲・冷却するために光の周ップ中の冷却原子の密度を上げることが見込まれ波数離調を大きくとること、また原子の捕獲にある。

わせ、紫外光強度を強くしなければならないこと。

2.1 紫外光の生成と連続発振

加えて捕獲時間の寿命の短さのため、冷却に充分

本研究で行うレーザー冷却には波長 323nm のな時間、紫外光を当てることができないなど制限紫外光連続波光源が求められる。その発振方法とが多い。それに加え強力な磁場や重力を原子が感して固体レーザーの三倍波、色素レーザーによっじている中で冷却を行うことも、純粋なレーザーて 646nm を発振させ倍波として紫外光を取り出冷却のみを行いたい状況ではできれば避けたい。

す方法などが上げられるが、どれもパワーやコスこのように MOT を用いた手法では冷却に最適なトが大きくなりオーバースペックとなる。更にレ

周波数離調・パワー・照射時間・環境を適用するこーザー冷却のために周波数を自由に掃引できることができず、線幅の細さを充分に発揮した冷却がとが望ましい。そこで本研究ではより低コストで行われたとは言い切れない。そこで当研究室では、周波数掃引の容易な半導体レーザーによって波長まず MOT による原子の捕獲・冷却を 671nm 光で646nm の赤色レーザーを発振させ、その光を基行い、ある程度原子を冷却し終えたところで光双本波として非線形結晶（LBO 結晶）に入射させ極子トラップに移し、トラップ中の原子集団に紫ることで倍波として波長 323nm の紫外光を取り外光のシングルビームを照射してレーザー冷却を出している。

行う。この法では光双極子トラップが原子の捕獲を担うため、紫外光の周波数離調・パワー・照射時間を捕獲という目的を無視し、冷却に最適な値に2図 3：紫外光源生成のメカニズム
図 4：PDH 法を用いた紫外光源連続発振の機構

図 3 は本研究で製作した紫外光レーザーの全体像である。半導体レーザーによって波長 646nm

図 4 は SHG 共振器の共振器長を安定化する機光を連続発振させた後四枚のミラーからなる構の全体像である。ここで図中の TA はテーパー

Bow-tie 型共振器に入射する。共振器内にはアンプの略称でありこれを用いて半導体レーザー

LBO 結晶が設置されており、共振器内で増幅さの出力を 20 倍に増幅している。この増幅器に変れた 646nm 光が結晶によって波長 323nm の紫調電圧 15MHz をかけ 646nm 光に位相変調を行外光に変換されることで、シングルパスで結晶にっている。変調された光が倍波共振器に入射する入射させたときと比べより強度の強い紫外光を得際、非共鳴のときに生じる RF 信号をフォトダイることができる。また紫外光連続波発振のためオード(図中 PD)で検出する。変調信号(LO)と RF646nm 光の周波数が SHG 共振器に常に共鳴しつ信号をミキシングし、ローパスフィルターによっづけるよう、半導体レーザーの発振システムにフて DC 成分のみを抽出することで共鳴からの誤差ィードバック制御を施した。本研究はレーザーの(エラー信号)を取得する。

周波数安定化に一般的に用いられている PoundDrever Hall（略：PDH）法を使って赤色レーザーの周波数を制御した。共振器に共鳴する周波数の光が入射した場合、光は全て透過するが、共鳴周波数からずれた光は反射される。この信号から共鳴に対する誤差信号を取得しレーザー機構にフィードバックを行うのが PDH 法である。この手法では共振器から反射された光により周波数が正・負どちらにずれたかの情報を得ることができ
図 5：PDH 法による紫外光源連続発振の結果る。

図 5 は周波数安定化された 323nm 光の SHG共振器からの透過信号である。周波数の揺らぎは10%程度に抑えられ紫外光を連続発振可能となっている。安定化された紫外光は最大出力 2mW を観測している。レーザー冷却時に原子に飽和強度3以上のビームを入射すると、原子が大きくロスしてしまうことから実験に望ましい紫外光のパワーは飽和パワー程度である。その値を算出すると、飽和パワー𝑃𝑠 は= 2μW≪2mWとなるため紫外光パワーはレーザー冷却を行うのに充分である。
2.2 紫外光の長期周波数安定化
紫外光はレーザー冷却の間、周波数の長期安定度が保証されなければならない。加えて紫外光の周波数を自由に変化させて冷却に最も適した周波
図 7：トランスファー共振器からの透過信号数を探すために紫外光の周波数を表示・制御する機構が必要である。紫外光の周波数は分光器で表示されるが、分光器の精度では数 MHz までの周

図 7 はトランスファー共振器を透過したビーム波数分解能しか得られない。冷却遷移の自然幅かの透過信号である。一つの周波数軸上に二つのビらして数百 kHz のオーダーで周波数を表示し・安ームのスペクトルを表示し、両スペクトルの周波定化と掃引ができる機構が必要である。本研究で数差を一定にするようフィードバックをかけるこは周波数の長期安定化のために、周波数安定化さとで、安定な He-Ne レーザーの安定度を不安定れた波長 633nm の He-Ne レーザーを用いる。こな 646nm 光に転写することができる。基本波のの方法では、He-Ne レーザーを長期安定化用共振

長期安定度が保たれることで紫外光の安定度が保器に透過させたときの透過スペクトルを周波数基証されている。

準に用い、633nm 光と基本波 646nm 光の周波数3.1 共鳴周波数の特定実験の結果差を計測しその周波数差を表示する。紫外光周波レーザー冷却を行う準備として狭線幅遷移間の数のモニターに LabView による仮想計測器を用共鳴周波数を特定した。原子に対して共鳴から正いることで紫外光周波数 200kHz までの分解表示に離調した光を入射すると、原子は運動方向に加が可能となっている。図 6 は周波数表示・長期安速される向きの光だけを吸収し過熱される。この定化の機構の全体像を示す。

ことを用いて入射する紫外光の周波数を変化させたとき、原子がロスする周波数が共鳴周波数近傍であると判断できる。

図 6：He-Ne レーザーとトランスファー共振器を用いた周波数の長期安定化の機構
図 8：光学密度の紫外光周波数依存性4図 8 は入射パワーと照射時間を変えて実験した

はじめに波長 671nm の MOT を用いて原子を捕ときの、それぞれの実験条件での光学密度-紫外獲冷却する。共振器トラップにロードするために

光周波数依存性を表している。特定の周波数で光原子を CMOT を用いて圧縮した後、共振器トラ学密度が極端に下がっており、その付近が共鳴周ップにロードする。この時点で原子温度は波数と考えられる。更に照射する紫外光の入射パ500uK、原子数は 2×104 個程度である。共振器

ワーと照射時間を下げていくと光学密度が小さくトラップにロードし数 m 秒間原子が安定したのなる周波数の幅が狭くなった。この付近の周波数を待ってから紫外光およびリパンプ光を用いたレを共鳴周波数とし冷却実験を行った。

ーザー冷却を開始する。冷却後、共振器トラップ

3.2 紫外光を用いたレーザー冷却の結果を開放し 1m 秒後に原子の影を撮像する。TOF

前節で特定した共鳴周波数付近にレーザー周波数イメージングから得られた原子集団の広がりの大を設定しレーザー冷却を行った。一度の冷却サイきさから原子温度を計算した。

クルを終えた原子のうち基底準位の F=3/2 に戻った原子は紫外光を吸収できず冷却サイクルを繰り返せない。このため 2S2S1/2→2P2P3/2 遷移に共鳴する波長 671nm 赤のリパンプ光を用いて 2S2S1/2→2P2P3/2 間の遷移を起こし、基底準位の F=1/2 状態に原子をリパンプする過程を取り入れレーザー冷却を行った。図 9、10 は実験時のビーム配置とタイムシーケンスをあらわす。

図 11：レーザー冷却後の原子温度-紫外光周波数依存性 (測定間隔 200kHz)

図 11 はレーザー冷却の結果を示す。赤線が原子数、青線が原子温度を表す。測定間隔を200kHz にして温度と原子数をプロットしてい
図 9：レーザー冷却時の各ビーム配置る。特定の周波数で原子数を保ちつつも原子温度が小さくなる領域が見られた。また、その周波数から更に高周波の領域で原子数が半分近くロスし、原子温度が上昇する領域が観察された。冷却された原子温度は 360uK と、光トラップ中の初期温度からおよそ 100uK 冷却されている。一方、検証実験で赤のリパンプ光なしのときでは原

図 10：紫外光と赤のリパンプ光を用いた冷却のタ子のロスが大きく、冷却の効果が見られなかったイムシーケンスことも確認された。このことから図 11 の実験結
5

果では紫外光によって原子が冷却されていること

University. http://hdl.handle.net/1911/70234

が裏付けられる。

“Narrow line laser cooling of lithium: A new toolまとめfor all-optical production of a degenerate Fermi

本研究では従来用いられてきた 22S1/2→22P3/2 遷gas”

移に比べ狭線幅遷移にあたる 22S1/2→32P3/2 遷移を用いたレーザー冷却を行った。冷却は光双極子[6]Jimmy Sebastian, Christian Gross, Ke Li,

トラップ中の原子集団に対して行い、周波数安定

Huat Chai Jaren Gan, Wenhui Li, Kai

化された紫外光と基底準位の F=1/2 状態にリパン

Dieckmann” Two-stage magneto-opticalプする光を用いて実現された。現在観測された冷trapping and narrow-line cooling of 6Li atoms

却後の最低温度は 360μK と、限界温度からは遠to high phase-space density

ざかっているが、これは冷却後にも照射されている紫外光によって原子集団が紫外光の照射方向に[7] 稲田安寿, 極低温フェルミオン原子 6Li にお広げられていることと、赤のリパンプ光の強度がける s 波及び p 波対形成 , 博士論文

最適化されておらず 22S1/2→22P3/2 間の遷移が強[8]”Atomic Physics” Christopher J. Foot

く起きていることが原因と考えられる。今後の実験条件の改善とパラメータ調整を行い限界温度に[9]”Atom Optics” Meystre, Pierre近づけることが期待できる。
参考文献[1]K. B. Davis, M. -O. Mewes, M. R. Andrews,
N. J. van Druten, D. S. Durfee, D. M. Kurn, andW. Ketterle Phys. Rev. Lett. 75, 3969 –Published 27 November 1995
[2]P. M. Duarte, R. A. Hart, J. M. Hitchcock, T.
A. Corcovilos, T. -L. Yang, A. Reed, R. G. Hulet“All-Optical Production of a Lithium Quantum
Gas Using Narrow-Line Laser Cooling”[3] Takuya Nakasuji,Jun yoshida,and Takashi
Mukaiyama Experimental determination of pwave scattering parameters in ultracold 6Li
atoms, Phys.Rev.A,88 012710 (2013)[4]The National Institute of Standards andTechnology (NIST)[5] Duarte, Pedro M (2012) Masters, Rice6