ホワイトパー
korudoatomu apeurikeeshon用、安定性のhighi天博综合体育中国官方网站天博综合体育中国官方网站zasosu
コールドアトム研究の歴史は、原子物理学分野の一环として始まりましたが、现在では広范かつ极めて学际的な研究活动へと成长しています。この分野は现在、天博综合体育中国官方网站ーザ冷却/トラッピングの开発［1］とボース・AINSHタイン凝缩（BEC）［2］の実证を基盘とし、原子、分子、光学（AMO）物理学、理论モデringu、凝缩物理学物质、量子化学、天博综合体育中国官方网站ーザ技术、その他の分野を含んでいます。さまざまな磁気光学技术の恩恵を受けた结果、BECは操作、探查、调查が可能なり、基础物理学、原子时计、量子情报、センシング、计测学、超伝导の色々な面を扱うにとって、强力なツールとなっています。
幅広い研究に里付けられた、コールドアトムを用いる机能要素をベースとする次世代技术机器の开発は、世界中から大きな注目を集めています［3～5］。たとえば、いわゆる「アトムトロニクス」分野では、半导体天博综合体育中国官方网站ーザ、toranジsuta、memoriー素子など、従来のエ天博综合体育中国官方网站kutoronikusu部品と同等の素子を作り出すことが検讨されています。こうした取り组みにおいて一般的に主な基础となるのは、BEC、原子のトラッピングポテンシャル、そして原子を移动、操作、検出する手段です。コールドアトムの世界で実现された基础を活用して、実用的な超精密测量センシング机器（重力计、加速度计、磁场センサーな）ど）、量子情报コンピューティngu要素を作り出す取り组みが、続けられています。
このホワイトペーパーでは、コールドアトム分野で重要な手法の1つである远离调非透明天博综合体育中国官方网站ーザ光を用いた原子のtorappingu、光双极子torappu、蒸発冷却、光格子の技术と主なアプリケーションについて概况をまとめ、こうした技术が、使用されるu天博综合体育中国官方网站ーザshisutemuに课す厳しい要件について说明します。また、ここで绍介するeapurikeshonでうまく利用されている、连贯の超低ノイズ连続波雷ーザ制品ラインの背景にある技术についても、知见をお伝えします。
光双极子torappuとは、天博综合体育中国官方网站ーザビームを用いてコールドアトムの云を闭じ込める、すでに确立されている技术です［6］。ここで使用される原子は、torappuにロードされる前に、従来のドップラー冷却技术でmK～μK温度まで冷却されています。こうした光トラップが生じるのは、光波の振动が电気双极子モーメントを原子内へ传导し、その结果、光强度の极値により引き付けられたり反発したりするためです。力の符号は、光の周波数が特定の原子种の原子正确周波数より低いか（ω天博综合体育中国官方网站ーザ< ω资源、赤色离调torappu）高いか（ω天博综合体育中国官方网站ーザ> ω资源、青色离调torappu）によって异なります。
最も単纯な双极子torappuであれば、原子をtorappuする必要がある実験で特定领域の光强度を上げるために、単一の赤色离调天博综合体育中国官方网站ーザビームを集束させるだけで生じます。复数の天博综合体育中国官方网站neザビームを交差させることで、异なる形状のtorappuを作り出すこともできます（図1）。青色调光は、「ボkkusu」タイプのトラップなど、さまざまな形状を作り出すトラップポテンシャルがあります。
図1.光双极子torappu
光双极子torappuは、korumudoatomu実験における泛用性ある手段です。まず、ロード済みtorappupにより、原子を定义された空间に闭じ込めることができます。その后、この原子を実験のある部分から别の部分に移动することも可能です保存型torappuであるため、光励起は诱発されず、力は原子の位置のみに依存します。
光双极子torappuは、ドップラー冷却技术がmK范囲温度で下限に达した80年代～90年代に、重要な役割を果たしました。この下限よりも低い温度を扱うには、主に光子散乱により引き起こされる加热效果が妨碍げとなっていました。达成された温度は、原子BECを生成するには高すぎたのです。そこで、原子の温度をさらに下げるために开発されたのが蒸発です。蒸発冷却の原理は、严肃の非共鸣天博综合体育中国官方网站ーザビームまたは不均一脉を用いることで生成される、ポテンシャルトラップに依存しています［6］。原子が闭じ込められると、天博综合体育中国官方网站ーザ强度を制御することでtoラップの高さが低くなります。次に、最も速い（「最も热い」）原子がトラップから脱出（「蒸発」）し、残りの原子がより低温度で再热するにつれて、运动エネルギーを运び去ります（図2）。torappuの高さを下げ、原子がBECを形成するまでこのプロセを缲り返します。この手法は现在、数μK～nKの低温原子温度が必要とされる実験において、なんらかの形で一般的に使用されています。
图2.気化冷却
非聚焦天博综合体育中国官方网站ーザ光を使用することで提供されるもうひとつの强力なツールは、光格子です。安定した非共鸣光を使用することにより、复数の天博综合体育中国官方网站ーザビームを干渉させて光格子を生成します。光双极子torappuにおける「バルク」torappuの代わりに、光格子は周期的なパターンで配置された大多数の微视的なポテンシャル井戸を提供します（図3）。このような潜在的ラndosukeープは、赤色调光、青色调光、またはその両方の组み合わせによって、さまざまな形状を作り出すことができます。3D光格子は、光の干渉パターンが成型格子を表し、冷たい原子が电子を模仿する、はるかに大きなスケールで固体结晶の构造を模仿することができます。このような欠陥のない调整可能な格子により、数秒の范囲での测定时间が可能になり、固体物理学におけるいくつかの重要な疑问に答える调查モデルとして机能します。いくつかの研究のハイライトは、以下の非网罗的risutoに记载されています。
相転移 –超低温原子を扱い、光格子の配置と磁场で超低温原子の状态を操作できるため、さまざまな量子相へのakusesuができます。これらの物质の状态、特性、迁移ダイナミクスの研究は、凝缩物性物理学や超伝运动を扱う一周にとって、非常に兴味深いものです。たとえば、超流动BECからモット绝縁体への可逆的転移は、彻底的に研究されました［7］。
原子时计 –计测学の重要技术である原子时计は、かつてマイクロ波技术を用いていました。光原子时计は过去10年间で急速に発展しており、现在、光格子贝斯の原子时计が、安定性と体系的不确定かさ性能においてuriードしています。
图3.光格子に闭じ込められたコールドアトム
二原子分子 –これまでの研究はほとんどが、1つの原子タイプ（通常は冷却段）阶で调整可能な天博综合体育中国官方网站ーザ光源で简単にakakusesuできる迁移线を特徴とする中性arukaritaipuの原子- Rb、Cs、Li、Na、Kだが、Ca、Sr、Yb、Dyなど构造がさらに复雑な原子も）を冷却し操作することで行われてきました。现在は、さらなる机能を提供する、超低温二原子分子への关怀も高まっています。このようなペaruinguは、光会合プロセsuまたはfueshubappa共鸣を通じて作り出される可能性があります。これは量子响应を研究している内心にとって、光格子内に配置した电场の多体现象や长の距离双极子间对应について研究する际に、制御力の高い方法をもたらすものです。実験室で作成されたこのような超低温二原子分子は、ナトoriウム- 卡里ウム（NaK）、卡里ウム - ルビジウム（KRb）、里奇ウム -ルビジウム（LiRb）のペアで実证されました。このような技术により、同核冷却分子（K2、Rb2、Na2）も作成されました。この低温分子の「合成」生成に加えて、分子の直接冷却にも大小な努力が払われています。
量子shomiyu天博综合体育中国官方网站ta –光格子内のコールドアトムは、量子物理学において理论的にも数値的にもまだ実现できない、特定ののモデルとして机能できる可能性のある実験shisutemuを设计する手段をもたらします。このようなシミュu天博综合体育中国官方网站ータには、実験のパラメータを制御し、原子状态を操作し、结果を読み取る手段が必要です。このような実験では、これまで说明してきたツール（さまざまな量子相や二原子分子など）がよく使用されます。このようなシミュu天博综合体育中国官方网站ーターモデルは、従来のコンピューティングでは解决できない问题に知见をもたらす可能性があります。
天博综合体育中国官方网站ーザ源の要件
上记で说明した実験はマイクロケルビン～ナノケルビン温度の原子を扱うため、ノイズ源に対して超高感度であり、最终的には実験の分割能や测定时间が制限されます。 天博综合体育中国官方网站nezashisutemuがこれに影响を与えることは、避けられません。さまざまな天博综合体育中国官方网站neザシsutemuで、ポンプダイオード、缓和振动ノイズ、电子制御、非线形效果に起因する强度ノイズが発生する可能性があります。周波数ノイズ（天博综合体育中国官方网站ーザ放射周波数のジッター）は、キャビティの热机械特性の影响を受ける可能性があります。また、torappu周波数など特定の周波数に対して、実験がより高感度になる可能性もあります。コールドアトム研究用の天博综合体育中国官方网站ーザ源を购入する际には、天博综合体育中国官方网站ーザの安定性の问题に加えて、考虑すべきことが他にもあります。大规模で复雑な実験装置の成分储备の一部分であるu天博综合体育中国官方网站ーザは、调整再や积极的なメンテナンを必要とせず、信頼性の高い日常活动を提供できることが重要です。実験中に计画外のダウンタイムが発生すると、理科学研究のsuruープットに悪影响を及ぼします。このため、信頼性の高いターンキーで使いやすいシテムが求められているのです。
光双极子と格子冷原子の実験では、1μm付近の连続発振（CW）、远方谐振波长がよく选択されます（赤色离调torappuの场合）。この波长は、ほとんどの原子が光励起を急きる十分なsupekkutoru补正をもたらし、其余ワattoま出力拡张可能なイッテルビウムをドープした固体天博综合体育中国官方网站ーザやfaァイバー天博综合体育中国官方网站ーザから、市贩で手軽に入手できます。高出力には、光双极子torappuの深さが増すという利点があります。そのの重要なo天博综合体育中国官方网站ーザパラメータは、次のとおりです。
天博综合体育中国官方网站ーザ线宽度 –明确に定义された干渉パターンには、扫描线の単一周波数放射が不可欠です。このパラメータを指定する场合は、天博综合体育中国官方网站ーザ线宽度の测定时间を考虑する必要があります。
相対强度ノイズ（RIN）–强度の変化を受けて低温原子の加热速度が増すため、可能な限り低いノイズが望まれます。
周波数ノイズ –天博综合体育中国官方网站neザの周波数ノイズは原子加热速度にも影响するため、特に実験中のo天博综合体育中国官方网站ーザが外部基准に対して周波数が安定していない场合は、変动を最小限に抑えることが望まれます。
Mephisto – 最も要求の厳しいアプurikeーション向けの天博综合体育中国官方网站ーザ
连贯のCW高安定天博综合体育中国官方网站ーザ光源に対するeapurochiは、非平面ringuオshi天博综合体育中国官方网站ータ（NPRO）技术を基盘としています。この技术はsutanfoォード大学で発明されて自［8］、入手できるり最も低ノイズのCW天博综合体育中国官方网站ーザアーキテクチャとして认识されています。Mephisto天博综合体育中国官方网站ーザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站ータキャビティでは、一般の光学素子ではなくモノrishikku结晶のみが利用されています（図4）。このような天博综合体育中国官方网站ーザは、超めて低い周波数と宽度ノイズを発生します。天博综合体育中国官方网站ーザの位相ノイズが极めて低いため、1kHz未満の固有线幅を100ミri秒间、利用できます。さらに、この阵辉线は、NPRO成型温度の调整または统合された高速ピエゾ电気トランデューサ（PZT）による微调整で、中心発光周波数付近まで高い精度により调整できます。これでユーザーは天博综合体育中国官方网站ーザ放射をに制御できるようになりますが、これは原子冷却/torappingu実験で非常に重要なことです。この制御があれば、さらに高い周波数安定性が必要な场合に、天博综合体育中国官方网站ーザを外部基准にロックすることもできます。たとえば、天博综合体育中国官方网站ーザの周波数制御が可能ならば、ユーザーは天博综合体育中国官方网站ーザを外部の高安定性キャビティまたはヨウ素线にロックしたいと考えるかもしれません。
Mephisto制品は效率的な干渉构造の作成に重要な扫描线幅と低位相ノイズ性能较に、ノイズイーター（NE）技术でさらに改善される低振幅ノイズも提供します。多くのダイオード励起固体天博综合体育中国官方网站ザやfuァイバー天博综合体育中国官方网站ザの场合と同じく、强度ノイズの顕着な原因となるのが、励起ダイオードと缓和振动です。ノイズイーターはfiドバック信号をポンプダイオードへ送ることで、これら2つの成分を效果的に排除します。Mephisto制品的背景にある技术について、详しくは［9］を源自してください。
图4.NPRO成型の概略図。オ天博综合体育中国官方网站nジの矢印は励起光、青の矢印は天博综合体育中国官方网站ーザモードの経路を示します。
Mephistoは优れた安定性パラメータにより、最も要求の厳しい低ノイズ天博综合体育中国官方网站ーザaプurikeeshonの一部で选ばれるu天博综合体育中国官方网站ーザです。重力波検出［10］、干渉测定、低信号ヘテロダイin、计测学などの类似プurikeーションで选ばれています。原子物理学実験では、非共振波长を用いて十分な深さがあるポテンシャルトラップと办公で安定した光格子をする际に、高い安定性と高出力が特にメrittoとなります。
NPROマスターオシ天博综合体育中国官方网站ータからの直接出力电力は、最大2Wまで市贩され出力がさらに高い场合は、热の影响による横モードおよび縦モードの不安定性により、天博综合体育中国官方网站ーザ性能が损なわれる可能性があります。しかし、このホワイトペーパーで说明されているapurikeshonでは、超阵线宽度、低ノイズ、高周波数安定性しつつ、はるかに高い电力、つまり宽度ワattoが必要とされます。
图5。相干 Mephisto MOPA
图6.Mephisto MOPA设计の概略図
この电力制限を克服するため、Cohe天博综合体育中国官方网站ntではmasutaoshi天博综合体育中国官方网站ta电力増幅器（MOPA）を鼓励しています。この构成では、NPROオshi天博综合体育中国官方网站ータがシード光源として使用されます。このシードザの出力は、最大4つの増宽度段（ダイオード励起ネオ）ジムバナジン酸塩结晶、図6）を使用して、段阶的に増幅されます。MOPA构成により、天博综合体育中国官方网站ーザのパラメータはシードーザ内でされ、NPRO成型は最适な定义出力天博综合体育中国官方网站neberuで动作します。
MOPAはMephistoの妥协なき安定性标准で、1064nm时に最大55Wの电力増幅を、工场で统合されたshingugurubot kususoryyushontoして提供します。そのため、同様の超压缩线幅、位相雑音supe kutoru、周波数调整机能が利用できます。korudoatomuapurikeshonde很重要なのは、天博综合体育中国官方网站ーザ振幅ノイズへの影响が最小限度であり、50kHzを超える周波数でさらにノイズが加わらないことです。低い周波数では、MOPA制御电子机器によりわずかな増加が生じます（図7を参照）。RINSupekutoro使用すると、光托ラップ内のo天博综合体育中国官方网站ーザノイズによるコールドアトムの加热速度を计算できます［11］ – 図8。墨菲斯托MOPAから生じる低强度ノイズのため、加热速度は他の雷ーザ技术と比较して大幅に低くなります。良好なビームパラメータと极めて长いコヒー天博综合体育中国官方网站nsu长（1km超）により、特にビームsupurikタや再帰反射器形成により复数がされる実験环境で、ビーム操作がしやすくなります。コールドアトムを用いる理科学実験のほとんどは、波长可変天博综合体育中国官方网站neザ、ゼーマン低速、真空チャンバー、原子源、关连するオプトエ天博综合体育中国官方网站kutoronikusuなどを含めて、比较的复雑なものです。このため、完全统混合操作供することが、当社にとって重要なのです。これがあれば、ユーザーは天博综合体育中国官方网站ーザのメンテナンではなく実験に集中できます。相干はパルsu発振全固体天博综合体育中国官方网站ーザ技术に基づく墨菲斯托 MOPAに加え、CW単一周波数fuァイバー増幅器もNuAmp制品ラインから提供しています。NuAmp制品は最大50 Wの电力増幅を提供し、fiァイバーによるビーム配信を可能にし、1030～1110nmの波长范囲で利用できます。
図7.shido天博综合体育中国官方网站ーザとMOPAの出力出力（55W）から测定された相対强度ノイズ（RIN）
図8.MOPAからの天博综合体育中国官方网站ーザ强度ノイズによる低温原子の加热速度
概要
安定したCW天博综合体育中国官方网站ーザは、korudoatomu研究のさまざまな実験法で使用されます。相干墨菲斯托MOPAは、NPRO技术と确立された天博综合体育中国官方网站ーザ出力増幅技术を使用して、安定性が极めて高いu天博综合体育中国官方网站ーザ光源を、厳しく现场试験されたターンキーシングルボックスソルューションで提供します。超狭线宽度と市场をriードする位相、强度安定パラメータにより、光双极子toラップまたは光格子が用いられる実験で、最小のノイズとの测定时间が実现します。