高密度単色原子ビームのナノマニピュレーション

高密度单色原子束的纳米操纵

基本信息

批准号：
16656222
负责人：
佐藤俊一
金额：
$ 2.11万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

レーザー光が有する力学的作用を用いると、原子の運動を精度良く制御できることが知られている。本研究では特に、レーザー光ビームによって数ナノメートル以下まで原子ビームが集束できるという理論的予測に着目し、その実現のための基礎的研究をおこなった。原子の集束は光の集光と現象的に極似しており、理想的な原子の集束のためには、速度分布をできるだけ狭くする必要がある。また、原子の平均速度は大きい方が、原子の単色性が向上する。そこで、本研究では単色な原子ビームの発生を容易に行う方法として、半導体レーザーを用いた白色冷却法の開発を行った。対象原子をセシウムとし、波長852nmの外部共振器型半導体レーザーの注入電流を直接変調することによって、周波数変調を行った。これにより、レーザー光の中心周波数を安定に保ちながら、そのスペクトル幅を自由に拡げることが可能になった。変調周波数をセシウム原子の自然幅の5MHzとすることによって、対象となる全ての原子を冷却できるようにした。冷却される原子の中心速度を精確に制御するため、波長の異なるふたつのレーザー光源を準備し、原子ビームの進行方向および逆方向からレーザー光を照射することによって、原子を挟み込むようにして原子速度を変化させた。すなわち、一方では減速、他方では加速することになる。実際にセシウムの原子ビームに対して実験を行って原子の速度分布を測定したところ、約20m/sの速度幅まで圧縮されていることが判明した。また、速度幅を保ったまま、原子の中心速度を100から300m/s程度まで自由に変化させることが出来た。原子に対する光圧力を計算することによって、速度分布のシミュレーションを行ったところ、実験結果と良く一致していることが見出された。

众所周知，利用激光的机械作用可以高精度地控制原子的运动。在本研究中，我们特别关注使用激光束可以将原子束聚焦到几纳米或更短距离的理论预测，并进行了基础研究以实现该预测。原子的聚焦在现象学上与光的聚焦非常相似，为了理想的原子聚焦，必须使速度分布尽可能窄。此外，原子的单色性随着原子平均速度的增加而提高。因此，在本研究中，我们开发了一种使用半导体激光器的白色冷却方法，作为轻松产生单色原子束的方法。以铯为目标原子，通过直接调制波长为852 nm的外腔半导体激光器的注入电流进行调频。这使得可以自由扩展激光束的光谱宽度，同时保持其中心频率稳定。通过将调制频率设置为 5MHz（铯原子的自然宽度），我们能够冷却所有目标原子。为了精确控制被冷却原子的中心速度，准备了两个不同波长的激光光源，通过从原子束行进方向和相反方向照射激光，可以控制原子束的中心速度。通过夹住改变的原子来调整。也就是说，它一方面会减速，另一方面会加速。当我们实际对铯原子束进行实验并测量原子的速度分布时，我们发现它被压缩到大约20 m/s的速度宽度。此外，可以在保持速度范围的同时，在100至300m/s之间自由改变原子的中心速度。他们通过计算原子上的光学压力来模拟速度分布，发现它与实验结果非常吻合。