冷却単一イオンを用いた光格子中原子の状態検出と操作

使用冷却的单离子检测和操纵光学晶格中的原子状态

基本信息

批准号：
16J00890
负责人：
齋藤了一
金额：
$ 0.83万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は冷却単一原子イオンによる中性原子の状態操作・検出手法の開発を目指すものである。今年度は主に中性原子気体中の単一イオンの温度変化と中性原子と原子イオン間の非弾性散乱過程のスピン依存性の２点について集中的に研究を行い、成果が得られた。昨年度までにプローブヘッドとなるカルシウムイオンに対し、サイドバンド冷却を実装し、原子気体の高解像度でプローブが可能となる領域に冷却したが、本年度は原子気体との衝突による温度変化の詳細を測定した。数ケルビン程度の領域で冷却原子気体と混合したカルシウムイオンが中性原子気体の密度に依存して冷却される振る舞いを観測できた。これは中性原子の状態を検出する際にプローブの精度が悪化しないことを示しており、本研究における重要なマイルストーンである。加えて、中性原子気体によるイオンの冷却手法の開発という観点からも重要な成果である。以上の内容を国際誌にて発表した。また、本研究では中性原子-イオン間の非弾性散乱過程におけるスピン依存性に関する実験を行った。昨年度までに中性リチウム原子とカルシウムイオン間における電荷交換散乱と状態変化散乱（クエンチ散乱）の二種類の非弾性散乱過程が観測された。理論研究者との共同研究によりこの二つの散乱過程がスピン状態の違いによって異なる反応経路をたどって起こることが明らかになった。そこでレーザー光を用いて中性原子、イオンのスピン状態を選別し、両者を混合して電荷交換散乱を観測することに成功した。スピン状態を含めた単一の状態を実験者が任意に選択して反応を観測する手法の開発は、極低温における化学反応過程の観測における重要ステップと言える。

这项研究旨在开发一种使用冷却的单个原子离子来操纵和检测中性原子的方法。今年，我们对两个要点进行了深入的研究：中性原子气体中单个离子的温度变化以及中性原子和原子离子之间非弹性散射过程的自旋依赖性，并取得了结果。直到去年，对钙离子进行了探测头的钙离子的实施，以允许以高分辨率的原子气体分辨率进行探针，但是今年我们测量了由于与原子气的碰撞而导致的温度变化细节。据观察，钙离子与几个开尔文范围区域的冷却原子气体混合，取决于中性原子气的密度，它们会冷却。这表明探针的准确性在检测中性原子状态时不会恶化，并且是本研究的重要里程碑。此外，从开发中性原子气体冷却离子的方法的角度来看，这是一个重要的结果。以上发表在国际杂志上。此外，在这项研究中，我们对中性原子和离子之间非弹性散射过程的自旋依赖性进行了实验。直到去年，观察到两种类型的非弹性散射过程：中性锂原子和钙离子之间的电荷交换散射和状态变化散射（淬灭）。与理论研究人员的协作研究表明，这两个散射过程通过不同的反应路径进行，具体取决于自旋状态的差异。因此，使用激光选择中性原子和离子的自旋态，并将两者混合以观察电荷交换散射。实验者任意选择一个旋转状态的单个状态以观察反应的方法的开发是观察在极度低温温度下化学反应过程的重要步骤。