Rydberg原子を用いた暗黒物質axionこの探索実験

使用里德伯原子的暗物质轴子探索实验

基本信息

批准号：
00J03540
负责人：
山田悟
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

暗黒物質アクシオン探索の手法は、共振空洞内に強磁場を印可しプリマコフ効果によりアクシオンをマイクロ波に転換させ、その微弱なマイクロ波を検出するというのが一般的である。本研究ではこの微弱マイクロ波検出にRydberg原子を用いることにより、高感度な単一光子検出を行うということが特徴である。具体的には空洞の共振周波数に等しい準位間エネルギーを持ったRydberg原子を空洞内に導入してマイクロ波を吸収させる、ということを行っている。このことから測定装置のアクシオンに対する感度は、共振空洞中のマイクロ波とRydberg原子との相互作用の振る舞いによって大きく左右される。2準位系としてのRydberg原子と共振空洞との相互作用は空洞量子電磁気学を用いて計算される。実際の実験装置においてはRydberg原子のエネルギー準位は空洞中の浮遊電場(Stark shift)、磁場と速度(Motional Stark effect)等によって変化し、結果としてマイクロ波の吸収効率も変化するため、空洞中を通過したRydberg原子の励起効率を様々なパラメータを変化させて計算し、実験装置のアクシオンに対する感度を得るために必要な値を得た。また、アクシオンを光子に転換するには強力な磁場をかけることが必要である。本研究の実験装置ではこの磁場の強さは最大7テスラにも達する。一方で共振空洞中のマイクロ波を検出するために導入するRydberg原子は強磁場下ではMotional Stark effectやゼーマン効果によるエネルギー準位のシフトを起こし、マイクロ波との共鳴状態が崩れてしまう。このためRydberg原子ビームパス上をNbとNbTiを用いて覆い、これらを超伝導状態にすることにより外部からの磁場を遮蔽できることを確認した。

通常在CO -Hollow中施加铁磁场，将轴转换为微波炉，并检测到弱微波炉。在这项研究中，它的特征在于将Rydberg原子用于此弱微波检测来执行高敏感性单光学检测。具体而言，在空心中引入了带有准二维能的Rydberg原子，等于腔中的共振频率，以吸收微波。因此，对测量装置的轴承的敏感性受到空心和rydberg原子中微波之间相互作用的极大影响。 2使用空心量子电磁学计算Rydberg原子与共振空心作为第二系统之间的相互作用。在实际的实验装置中，rydberg原子的能级会根据浮动电场（Stark Shift），磁场，速度（运动鲜明效应）等而发生变化，结果，微波的吸收效率变化，因此它是在空心的。通过更改各种参数，通过更改了Rydberg原子的激发效率，并获得了必要的值以获得实验设备的灵敏度。为了将轴轴转换为光子，有必要施加强大的磁场。在这项研究的实验装置中，该磁场的强度达到了7台特斯拉。另一方面，引入的rydberg原子以检测共振空心中的微波导致能量水平的变化，这是由于较高的stark效应而引起的，而在铁磁场下的Zeman效应则导致Zeman效应，并且丢失了与微波的共振。因此，使用NB和NBTI确认Rydberg原子梁路径被证实，并且超导状态可以被外部磁场屏蔽。