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，使用激光的机械作用可以准确控制原子的运动。这项研究的重点是理论预测，即原子束可以通过激光束将原子束聚焦到几种纳米或更少的纳米，并进行了基础研究以实现这一目标。原子聚焦在非常相似，与光凝结非常相似，对于理想的原子聚焦，速度分布必须尽可能窄。此外，原子的平均速度越高，原子的单色性越高。因此，在这项研究中，我们使用半导体激光器开发了一种白色冷却方法，作为一种促进单色原子束生成的方法。通过直接调节外部空腔型半导体激光器的注入电流，使用目标原子作为剖宫产，进行了频率调制。这使得可以自由扩展光谱宽度，同时保持激光束稳定的中心频率。通过将调制频率设置为5MHz，即剖腹原子的自然宽度，可以冷却所有感兴趣的原子。为了准确控制要冷却原子的中央速度，制备了两个具有不同波长的激光光源，并从行进方向和原子束的相反方向辐射激光，从而通过夹心原子来改变原子速度。也就是说，一方面它将减速，另一方面它将加速。实际上，在剖腹产原子束上进行了实验，以测量原子的速度分布，发现速度被压缩至约20 m/s。此外，在保持速度宽度的同时，原子的中心速度可以从约100 m/s自由地更改。通过计算原子上的光压，发现模拟速度分布与实验结果非常吻合。