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𝐑𝐛の Gray Molasses 冷却へ向けたマイクロ波分光による残留磁場の測定
岸本研究室 1413032 太田 大貴

1. 研究背景・目的
ボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)生Fig.1 の通りであり、𝐵 = 0の状態でσ+ とσ−成が実現した 1995 年から今日までに、種々の光を対向させて原子に照射する必要があの原子で BEC 生成が実現された。最初にアる。今回、Gray Molasses 冷却の予備冷却とルカリ金属(Na, K, Rb)の BEC が生成され、して磁気光学トラップ(MOT)による冷却・技術の発達に伴い、現在ではアルカリ土類捕獲を行うため、本研究における残留磁場金属や希ガスなどの BEC の生成も実現さとは、MOT で冷却・捕獲された原子が存在れている[1]。先行研究のように、BEC 生成する位置における磁場を指す。そして、本研の手法は確立されたが、BEC の連続生成の究 で は 、狭 線 幅な 超微細 構 造 遷移 (Fig.2,

手法は確立されていない。この BEC の連続

5S1/2の F=1, 2 間)を用いて分光を行うこと的生成こそ、本研究室の目的である。

で残留磁場の抑制を図るため、より弱い磁BEC の連続的生成のために用いる要素技場まで追い込むことが可能である。

術として本研究室が検討しているものの 1つに、5S-6P 間の遷移を用いた Gray Molasses
冷却がある。この冷却手法の特徴は、原子を暗状態に落ち込ませ、光の再吸収を防ぐことである。これにより、冷却された原子の再加熱を防ぐことが出来、位相空間密度の向上につなげる事ができる。しかし、主量子数の異なる遷移を用いての実験成功例は未だ存在しない。この Gray Molasses 冷却では全ての磁気副準位が縮退していることが重要

Fig.1. Gray Molasses 冷却のセットアップ

なので、残留磁場を最小限に抑制する必要がある。そこで、本研究の目的は、残留磁場を最小限に抑制することで、全ての磁気副準位が縮退した状態を作り、冷却の可能性を向上させることである。また、残留磁場の抑制の定量的評価をしながら冷却実験を行うことで、将来なお Gray Molasses 冷却が実現できない場合でも、冷却の妨げになる要因から残留磁場を外すことが可能となる。
2. 実験方法
Gray Molasses 冷 却 の セ ッ ト ア ッ プ はFig.2. 実験で使用する遷移実際の実験手順について説明する。先ず、ることで残留磁場を変化させる。また、本研

Fig.2 の Cooling 光、Repump 光を用い MOT

究では、Hall 素子を用いて電流値を読むこで原子を冷却・捕獲する。ここで捕獲されたとで、1mA の精度での電流値の制御を可能

原子は、|5S1/2 , 𝐹 = 1, 2⟩に存在する。そして、にしている。これは磁場に換算しておよそこれらの原子は、Repump 光を切ることで、2mG に相当する。

|5S1/2 , 𝐹 = 1⟩にポンピングされる。この原子に対してマイクロ波分光を行うことで、残留磁場の測定を行う。

3. 実験結果
3.1. ゼーマンシフトの確認

次に、マイクロ波分光について詳細に説

意図的に大きな磁場をかけることで大き明する。MOT コイルを切ると、原子のエネくゼーマンシフトさせ、各遷移のピークをルギー準位は残留磁場の大きさに依存して確認した。Fig.4 がその結果である。この結ゼーマンシフトする。この原子に対して各果から、理論通り 7 つのピークを確認する

周波数でマイクロ波を照射し、吸収イメーことが出来、ゼーマンシフトが等間隔であジングによって F=2 に遷移した原子数を求ること、そして、磁気副準位間のポピュレーめると、Fig.3 の通りになると考えられる。

ションに偏りがあることが分かった。また、

ここで、原子数のピーク間隔は、磁場が小さ10Hz 程度だと考えていた線幅(FWHM)がおい領域では残留磁場の大きさに比例する。

よそ 200kHz になっていることが確認でき

そして、このピーク間隔が 0.7MHz/G であた。この広がりについては、3.3 節で考察するという関係性を利用することで、残留磁る。

場を同定することが可能である。なお、本研
究では、6.8GHz のマイクロ波を出力するために、自作したヘリカルアンテナを使用した。

Fig.4. ゼーマンシフトの確認
3.2. Bias コイルの最適化
この時点では 200kHz の線幅が原因で、弱Fig.3. マイクロ波の周波数と原子数い磁場における分光が出来ない状態である。
そこで、先ずは磁場の大きい領域で磁場を前述した手順で残留磁場を評価後、残留測定し、fitting によって磁場の極小点を求め磁場の最適化を行う。その際は、MOT コイることを試みた。実際の実験の手法として

ルの周囲に配置された 3 対の Bias コイルをは、1 軸のみ Bias コイルの電流値を変化さ用いる。この Bias コイルの電流値を調整すせ、シフト量(Fig.4 のピーク間隔)を測定した。

Fig.7. x 軸 Bias コイルの電流値最適化

Fig.5. Bias コイルの模式図
先ず、y 軸 Bias コイル(Fig.5 の灰色のコイル)の電流値のみを変化させ、測定を行った。
その結果を Fig.7 に示す。
Fig.8. z 軸 Bias コイルの電流値最適化
この結果、x 軸 Bias コイルの電流値が0.288A のとき、そして、z 軸 Bias コイルの電流値が-0.271A のとき磁場が最小となることが分かった。今まで Fig.2 の遷移を用いて MOT を行う際に使用していた電流値はFig.6. y 軸 Bias コイルの電流値最適化
この結果から、y 軸 Bias コイルの電流値

Table 1 の通りであるため、今回の Bias コイルの電流値の最適化により、およそ 363mG磁場を変化させたことに相当する。

が-0.133A のとき、シフト量(残留磁場)が最Table 1. Bias コイルの電流値小となることが分かった。その後、y 軸 Biasコイルの電流値を-0.133A に設定し、z 軸Bias コイル(Fig.5 の赤色のコイル)、x 軸 Biasコイル(Fig.5 の青色のコイル)に対して同様の測定を行った。その結果を Fig.7, Fig.8 に示す。

今までの値/A

最適化後/Ay軸-0.2-0.133±0.002

z軸-0.4-0.288±0.001

x軸-0.2-0.271±0.002

この結果から、先行研究[2][3]において、Gray Molasses 冷 却 で 許 容 さ れ る 磁 場 は100mG 程度とされているため、今までの補正磁場条件では不完全で、Gray Molasses 冷却が効かない状態であったことが明らかにノイズや残留磁場勾配等の抑制を図ることなった。

で、これらの遷移の狭窄化も図っていく所存である。

3.3. 線幅の狭窄化
200kHz という広い線幅を持つ原因とし

4. まとめと展望て考えられるのは、磁場勾配及び電流ノイ今回の実験の結果、今までの電流値ではズ、そして、強度広がりによる影響である。

残留磁場は最適値から 360mG 以上ずれてこの 3 つの原因の内、強度広がりの影響をおり、Gray Molasses 冷却が効かない状態で調べるために、マイクロ波のパワーを変えあったということが確認できた。しかし、広て 0-0 遷移を分光することとした。この遷い線幅が原因で残留磁場の絶対評価が出来移を分光した理由は、今回のような弱い磁ていないため、残留磁場が 100mG 以下にな場領域においては磁場に鈍感な遷移であり、っているということは直接的には確認が出磁場の影響と強度広がりの影響を切り離し来ていない。そこで今後は、線幅が広がってて考えることが出来るからである。先ず、マいる原因を究明し、0-0 遷移以外の線幅を狭イクロ波源の出力パワーを-29dBm に設定窄化する予定である。そして、残留磁場がし、線幅を確認したところ 30kHz 程度であ100mG 以下であると確認できた暁には、った。そして、マイクロ波のパワーをGray Molasses 冷却を試し、冷却効果が表れ

4.5dBm 下げ、線幅を確認すると 20kHz であるか確認したい。

った(Fig.9)。これは強度広がりの理論式とも一致する。

5. 参考文献[1] 町田一成, ボーズ・アインシュタイン凝縮, 吉岡書店(2005)[2] Grier, Andrew T., et al., Phys. Rev. A 87,063411(2013)[3] Colzi, Giacomo, et al., Phys. Rev. A 93,023421(2016)

Fig.9. 0-0 遷移の線幅の狭窄化
理論的には、遷移の線幅はドップラー広がりより 10Hz 程度なので、マイクロ波のパワーをより下げることで、より線幅を狭めることが可能である。しかし、現状の 20kHzの線幅で 30mG 程度の弱い磁場まで分光できることから、今後は、残る 0-0 遷移以外の線幅の広がりの要因として考えられる電流