Transcript 精密重力測定のための原子干渉計の開発

第3回TAMAシンポジウム 2003年2月7日
精密重力測定のための原子干渉計の開発
中川賢一 電気通信大学レーザー新世代研究センター
Developments of atomic interferometer for the precision
measurement of gravity
Ken’ichi Nakagawa
Institute for Laser Science, University of Electro-Communications
•
87Rb原子の誘導ラマン遷移を用いた原子干渉計
•
87Rb原子のボーズ・アインシュタイン凝縮
• ワイヤートラップによる原子導波路とその原子干渉計への応用
原子干渉計 (atomic interferometry)
光の代わりに極低温原子（物質波）の干渉を用いる
光による原子のビームスプリッター、鏡
光
光
k
 k
ド・ブロイ波長
鏡
原子
 dB 
2 
2
mk B T ~ 100nm (T~ 3mK)
 p  2  k 反跳運動量
マクロな鏡を用いる代わりにミクロな原子を用いる
誘導ラマン遷移を用いた原子干渉計による重力加速度計
w2
M. Kasevich, S. Chu, Appl. Phys. B 54, 321 (1992).
A. Peter, K. Y. Chung, S. Chu, Nature 400, 849 (1999).
w2’
f1
| b, p+2k
>
原子
|a, p >
w1
位相シフト
fU2
f =f1- fU2- fL2+ f3
| a, p >
/2パルス
（ビーム・
スプリッター）
w2’’
f i=(k1+k2)zi-(w2-w1)ti
fL
g
プローブ光 g: 重力加速度
k: 波数(=2/)
T: パルス時間間隔
2
w1’
f3
パルス
（ミラー）
T
= (k1+k2) gT2
原子が状態|b>にある確率
w1’’
T
t
/2パルス
（ビーム・
スプリッター）
P(| b > )  1 1  cos(  f   / 2 ) 

2
: レーザーの離調
: パルス幅
レーザー冷却 Cs原子を用いた原子干渉計
A. Peter, K. Y. Chung, S. Chu, Nature 400, 849 (1999).
Cs原子の基底状態の超微細準位 |a> F=3, |b> F=4
レーザー冷却 ~mK
原子泉
速度選択 ~10 nK
長い相互作用時間 0.16s
測定精度 g/g ~ 3×10-9
Csの代わりに87Rb原子を用いる
87Rb
原子 エネルギー準位
5 P 3 /2

異なる原子種による重力測定
=780nm
高いコントラストの干渉信号
2. 衝突シフトが小さい(<1/30)
原子密度を上げられる
将来的には感度・精度の向上が期待できる
w2
w1
1. ボーズ凝縮原子が利用可能
5 S 1 /2
F = 1 , m F= 0
|e
|b
|a 
F = 2 , m F= 0
6 .8 G H z
重力定数Ｇの測定
基礎物理定数の中で最も低い決定精度
G = 6.673 ± 0.01×10-11 m3 kg-1 s-2
CODATA(1998)勧告値
従来のねじれ秤を用いた方法の改良
ワシントン大のグループ
5桁の決定精度
BIPM
両者で有意な差
他の方法による精度の検証の必要
Kasevichグループ(Stanford大)による原子干渉計による重力勾配計
鉛ブロック12.5 kg × 8 (100 kg) による重力勾配
試験質量と原子の距離 ～ 20 cm
最近の実験結果 G/G ~ 1.8×10-3 (ICAP, July 2002)
原子干渉計を用いた重力測定の設計目標
重力加速度g
重力定数 G
精度10-9
精度10-3
質量源 M=88 kg (密度~ 20g/cm3)
A
g
15cm
20cm
5cm
A点とB点における加速度差 a
a ~ 8×10-8 g
a/z ~ 5.3×10-7 g m-1
( z = 0.15 m )
地球の重力勾配
B
~ 3×10-7 g m-1
今までの準備状況
1. 半導体レーザーの光位相同期
ラマン遷移(F=1  F=2) n ~ 6.8GHz
2．
87Rb原子のレーザー冷却
3. 冷却Rb原子による誘導ラマン遷移の確認
87Rb原子のエネルギー準位
10 MHz~ 50 MHz
F'= 3
267 MHz
5P3/2
F'= 2
F'= 1
72 MHz F'= 0
Δ ： 離調
5S1/2
ラマン光
プローブ光
リポンプ光
 = 780 nm
冷却光
157 MHz
F= 2
6834.68261 MHz
F= 1
半導体レーザー光源
レーザー冷却・検出用レーザー
LD
AOM
FI
ECLD1
プローブ光
F = 2  F' = 3
AOM
FR
冷却光 P > 30mW
F = 2  F' = 3 /2 ~  10MHz
注入同期レーザー
リポンプ光
F = 1  F' = 2
AOM
ECLD2
誘導ラマン遷移用光位相同期レーザー
Rb
atomic
clock
MW osc.
6.8GHz
PD
34MHz
FG
Digital PLL
ECLD3
ECLD4
AOM
ラマン光(w1,w2)
2台の半導体レーザー間の光位相同期ループ(OPLL)
ラマン遷移 F=1 mF=0 ⇔ F=2 mF=0
f= 6.834682610 GHz
非同期時
同期時
Frequency (MHz)
残留位相誤差 f < 1 m rad (t > 10ms)
Rb原子のレーザー冷却
w2
フォトマル
冷却
Rb原子
108個
Rb原子のレーザー冷却の真空装置
w1
冷却光 +
リポンプ光
プローブ光
ラマン光
原子数 ~ 108 個 温度 ~ 20 mK
TOF法による冷却原子の温度評価
タイミングチャート
MOT コイル
離調 -15MHz
-50MHz
Cooling 光
強度
2ms
5ms
Repump 光
強度
1ms
0
[ms]
磁気光学トラップのみ 90 mK
偏光勾配冷却 20 mK
10ms
ｔ
光ポンピングによる原子状態の初期化
冷却光（F=2→F’=3）
⇒ Ｆ=1（基底状態）にポンピング
リポンプ光（F=1→F’=2） ⇒ Ｆ=2（励起状態）にポンピング
タイミングチャート
光ポンピング（2ms）後のF=2の原子数
12000
Repump
PGC
吸収強度　[a.u.]
10000
2 ms
光ポンピング 光
8000
Cooling 光
oｒ
Repump 光
6000
2 ms
4000
300 μs
Probe 光
(F=2)
Cooling
2000
ｔ
0
1.9
2
2.1
2.2
2.3
[ms]
Cooling
Repump
2.4
2.5
2.6
0
[ms]
200 μs
誘導ラマン遷移の確認
蛍光強度 ∝ F=2状態の原子数
πパルスの条件
τ 
2π
0
2
 I
2

2
0

8 I
s
  2 π  6 MHz
自然幅
I S  1 . 64 mW / cm
飽和光パワー密度
2
I  6 . 33 mW / cm
2
  200 MHz
τ  12 μs
レーザー光パワー密度(実験値)
レーザーの離調
PGC
500
μs
光ポンピング 光
(Repump 光)
パルス長
10 ～100μｓ
Raman Laser
離調 Δ=200MHｚ
900
μs
Probe 光
(F=2)
0
[ms]
220μs
タイミングチャート
ｔ
今までの実験のまとめ
 数秒サイクルでレーザー冷却87Rb原子(108個、20μK）を生成
 超微細状態間の周波数差(約6.8GHｚ）で位相同期した2台のレー
ザーを用いた誘導ラマン遷移の確認
 誘導ラマン遷移によるπパルス生成条件の探索
今年度の研究経過
 新しい光学テーブル上での実験装置の再構築
 レーザー光源の改良、真空系の改良(Rbディスペンサーの導入)
 誘導ラマン遷移によるπパルス、π/2パルスの生成(現在継続中)
Bose-Einstein condensation
dB
Atom
Laser
cooling
T ~ 300K
T ~ 3mK
particle like
wave packets
dB ~ 0.01 nm
dB ~ 100 nm
BEC
Evaporation
cooling
T ~ 0.3mK
Matter wave overlap
and form a condensate
dB > 300 nm
Macroscopic number of atoms occupy a single quantum state.
Atom laser analogous to laser for light
generation of coherent matter waves
87Rb原子のボーズ・アインシュタイン凝縮
1st MOT
Rb
六重極
磁場ガイド
プッシュ光
2nd MOT
and QUIC MT
イオンポンプ
+
Ti サブリメンション
ポンプ
冷却光
冷却光
P=10mW, D=2cm
P = 3mW, D=1.5cm
イオンポンプ
50cm
87Rb
ボーズ凝縮の生成手順
冷却原子の連続ロード (MOT1 → MOT2)
N ~ 3x108
磁気光学トラップ
偏光勾配冷却(s+s)
光ポンピング
四重極子磁気トラップ
~ 108
QUIC型磁気トラップ
~ 108
蒸発冷却
nRF= 30 MHz → 0.9MHz
凝縮体生成
~30s
30s
~ 105
Tc ~ 200nK
U(x)
m=2
hnRF
m=1
hnRF
m=0
xmin
1s
x
TOF absorption images
t=6ms
360mm
909 kHz
905 kHz
901 kHz
T ~ Tc (~200nK)
T > Tc
T < Tc
360 mm
950kHz
920kHz
910kHz
890kHz
Reproducible production of BEC
910kHz
909kHz
908kHz
907kHz
905kHz
904kHz
903kHz
902kHz
900kHz
906kHz
901kHz
BECを用いた原子干渉計
凝縮原子（コヒーレント原子波）を用いる利点(欠点)
• 単一の内部状態・外部状態（速度）
高コントラスト ＞90%
• 空間的に分離した原子波束の検出
• 凝縮原子生成時間が長い 数10秒
個数 < 106
• 高密度による原子間相互作用の影響 位相シフト
• 量子相関を用いた高感度検出
f  1/√N → 1/N
N:原子数
Manipulation of BEC in an atom waveguide
Guide of cold or condensate atoms in the waveguide
created by the micro magnetic trap
Applications: atomic interferometry, quantum computer, ,
Wire trap (atom waveguide)
Denschlag et al. Appl.Phys.B 69, 291 (1999).
Reichel et al., PRL 83, 3398 (1999)
Atom chip (integrated micro wire trap on a substrate)
Max-Planck
Tubingen
Heidelberg
Other groups … MIT, JILA, Sussex
原子導波路による原子干渉計
ワイヤートラップによる原子導波路
U(r
)
2D Quadrupole trap
r
I
High field gradient
Bb
|b’|= m0I/2r2
r
Bw(r) = m0I/2r
r0 = m0I/2Bb
Z 型ワイヤー (Ioffe-Prichard type trap)
U(r
)
U(z)
Bb
z
I
r
z
Experimental apparatus for the wire trap
Ion pump +
Ti Sublimation Pump
Transfer QP
coils
MOT QP
coils
Cooling
laser
Wire trap
Bias(z) coils
Bias(x) coils
Glass cell
10 cm
Tunneling between double well potential
split wire current on
B(Gauss)
‐2
B(Gauss)
20
20
10
10
0
2
split wire
z(mm)
‐2
0
2
z(mm)
Atomic interferometer
U(z)
W. Hänsel, J. Reichel, P. Hommelhoff, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 64, 063607 (2001)
分岐
z
干渉