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第4回TAMAシンポジウム 大阪市立大 2005年2月19日
精密量子計測の重力測定への応用（計画研究シ）
中川 賢一
電気通信大学 レーザー新世代研究センター
1 冷却87Rb原子を用いた原子干渉計による重力加速度測定
2 アトムチップを用いた87Rb原子のボーズ凝縮の生成
研究の目的
• 物質波を用いた高精度な量子計測技術の確立
極低温原子 T< 1mK ド・ブロイ波長 ldB > 100 nm
• 原子干渉計による重力加速度計の開発
重力加速度 g
万有引力定数 G
• ボーズ・アインシュタイン凝縮を用いた原子干渉計の開発
原子レーザー アトムチップ
• 量子原子光学の確立とその精密計測、情報処理への応用
スクィーズド状態 エンタングルド状態 量子コンピューター
87Rb原子の誘導ラマン遷移を用いた原子干渉計による重力加速度測定
87Rb原子のエネルギー準位
w2
5P 3/2
k2
| b, p+2k >
原子
|a, p >
w1
g
D
l=780nm
k1
| a, p >
プローブ光
p/2
パルス
F=1, m=0
F
p
a, b : 内部状態
p : 運動量
| b> 蛍光
T
1
2
1 - cos( D f ) 
Df = keff gT2
T
t
|a
|b
F=2, m=0
F
6834.68261 MHz
終状態が|b>である確率
P (b ) 
p/2
w2
w1
5S 1/2
|e
| a>
keff =|k1-k2| ~ 2k: 波数
g: 重力加速度
T: パルス間隔

原子干渉計の実験装置
原子の内部状態および外部状態(速度)選択
1.
1. F=2状態への光ポンピング
F=2
F=1
B≠0
2.
2.ラマン光πパルスによる速度選択
mF=-2
-1
0
+1
3. 共鳴光により残った原子の吹き飛ばし
+2
F=2
F=1
3.
16
速度選択前
16 mK
14
12
10
速度選
択後
8
6
610nK
理論値
4
2
0
3.48e+7
3.49e+7
3.50e+7
3.51e+7
周波数
3.52e+7
3.53e+7
F=2
F=1
自由落下原子に対して得られる干渉信号
50
45
T=0.4ms
40
35
T=0.5ms
30
T=0.7ms
T=1.0ms
25
20
20
T=1.5ms
18
T=1.5ms
15
16
10
2.00e+7 2.20e+7 2.40e+7 2.60e+7 2.80e+7 3.00e+7
b /2p [MHz/s]
14
T=3.0ms
12
10
8
T=5.0ms
6
20
4
2
10
T=5.0ms
0
T=6.0ms
-10
T=7.0ms
-20
T=8.0ms
-30
-40
2.510e+7
T=10.0ms
2.512e+7
2.514e+7
b /2p [MHz/s]
2.516e+7
0
2.46e+7
2.50e+7
2.54e+7
b /2p [MHz/s]
2.58e+7
重力加速度gの決定
T=10.0ms
フリンジコントラスト～15%
25.11
25.12
25.13
b/2p ( MHz/s)
干渉フリンジの中心における掃引速度bを求める
b/2p = 25,120,001±230 Hz/s
g = b/keff = 9.79986±0.00009 m/s2
Dg/g ~ 6 ×10-6
Df ~ 2p×1.5×10-2 = 0.09 rad
原子のショット雑音で決まる位相検出限界
Df ~ (1/N)1/2 ~ 10-3 (N~ 106)
Dg/g ~ 7 ×10-8
今後の予定
防振
原子泉法による相互作用時間Tの向上
原子を上方に打ち上げる
T = 10 ms → 150 ms
検出感度 225(152) 倍
鏡
l/4
w1, w2
冷却レーザー
wcool-Dw
h
1
gT
2
2
v
PD
低周波域(0.1～100Hz)の鏡の防振
（パッシブ、アクティブ)が必要
wcool+Dw
ラマン光
w1, w2
質量源(~100kg)による万有引力の測定
目標感度 dg/g < 10-8
フィレンツェ大LENSのグループ
G測定を目的にした87Rb原子を用いた原子干渉計の開発
最近の予備実験の結果
アトムチップ（集積化原子導波路）による87Rb原子のボーズ凝縮の生成
20 mm
Z-wire trap
compression
50 ~ 200mm
10μm
Au
SiO2
Ti
Si
Cu
Loading of cooled atoms into a atom chip
(magnetic transfer)
2cm
Transfer coil
MOT coil
1. Vapor cell MOT
of 87Rb
2. Magnetic trap
F=2,mF=+2
3. Magnetic transfer
5. Transfer from the QP magnetic
trap to the chip potential
4. Fine position adjustment
アトムチップへの原子のローディングの様子
10mm
10mm
トラップ開始から
4ms
18ms
68ms
43ms
圧縮
[Gauss]
20
17.5
15
12.5
10
7.5
5
2.5
50
圧縮6：
2A,51.8Gauss
d=80μm
40
30
20
10
200 400 600 800 1000 -2000-1000
動径方向[μm]
1000 2000
軸方向[μm]
evaporation cooling
Rf frequency [MHz]
Rf frequency sweep
40
35
30
25
20
15
10
5
0
a
b
c
0
1
2
3
d
4
5
Time [s]
d0 = 130μm
B’ = 4500 G/cm
nr = 4.0kHz, nz = 740Hz
a : after compression
5mm
N=9×106
T=320μK
ρPS=1×10-7
b : 11MHz
N=5.5×105
T=90μK
ρPS=1×10-3
c : 4MHz
N=2×105
T=20μK
ρPS=4×10-2
d0 = 200μm
B’ = 2000 G/cm
nr=1.8kHz, nz = 360Hz
d : ~1.8MHz
N=5×104
T=1.6μK
ρPS=1.4
BECの生成 （2005年1月5日）
1.90MHz
1.88MHz
1.86MHz
1.84MHz
1.83MHz
1.82MHz
1.81MHz
1.80MHz
1.79MHz
1.78MHz
1.77MHz
1.76MHz
TOF 10ms
thermal+ BEC
thermal
1.86MHz
1.78MHz
1.83MHz
Nth = 50000
T = 2mK
(TC=1.8mK)
OD
pure BEC
Nc=15000
μ=680nK
rPS=20
OD
OD
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.0
0.0
0.0
0
200
400
radial axis [μm]
600
0
200
400
radial axis [μm]
600
0
200
400
radial axis [μm]
600
0.5mm
g
3mm
5.0ms
7.5ms
10.0ms
12.5ms
15.0ms
17.5ms
20.0ms
Influence of surface effects
M. P. A. Jones, et al. PRL 91, 080401 (2003). A. E. Leanhardt. Et al. PRL
90, 100404 (2003). C. Henkel, Appl. Phys. B 76, 173 (2003).
Trap loss
Heating
Decoherence
phase
fluctuation
h
substrate (Si,
AlN, Al2O3)
electrode
(Au,Cu,Al)
lifetime < 1s
coherence time < 1s
h ＜100μm lifetime < 1s
near-field thermal noise
To avoid surface effects,
current noise (shot noise)
h > 10 mm electrode (trap) structure > 10 mm
single mode guide, beam splitter,
Solutions (?) low temperature(~4K), super conductor magnet, permanent magnet
Atomic interferometer on an atom chip
It is difficult to realize a coherent beam splitter using a magnetic
potential formed by a current carrying wire ,,,
hybrid potential (optical standing wave + wire magnetic trap )
Ying-Ju Wang et al, cond-mat/0407689
Other possibility
permanent magnet + current carrying wire
Bb small
Bb large
magnetic thin film (<100nm）
substrate
~1mm
CoNiCr, CoCrTa
or TbFeCo
まとめ
アトムチップを用いた87Rb原子のボーズ凝縮の実現
生成時間 10s （5s （MOT） + 5s （蒸発冷却））
個数 ～2×10４
今後の予定
光と磁場のハイブリッドポテンシャルによるビームスプリッターを用いてアト
ムチップ上で原子干渉計を実現する
ジャイロスコープ 万有引力
アトムチップを用いた小型可搬型ボーズ凝縮生成装置の開発
宇宙実験用 無重力下の長い相互作用時間 T >10s
加速度測定の検出感度 ∝ T2
検出感度 103 倍向上(地上に比べて)
万有引力定数の測定感度 ５～６桁