ОСОБЕННОСТИ СТЕНДА ПО СОЗДАНИЮ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ ЛОВУШКИ ДЛЯ АТОМОВ КАЛЬЦИЯ-40

ОСОБЕННОСТИ СТЕНДА ПО СОЗДАНИЮ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ ЛОВУШКИ ДЛЯ АТОМОВ КАЛЬЦИЯ-40

Научная статья

Саутенков В.А.¹, Саакян С.А.², Вильшанская Е.В.^3, *, Аршинова И.Д.⁴, Кудринский Д.А.⁵, Зеленер Б.Б.⁶

^{1, 2, 3, 4, 5, 6} Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, Москва, Россия;

¹ Физический институт им. Н. П. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия;

^{4, 5, 6} Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия;

² Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия;

^{3, 6} Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт", Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (eva.villi[at]gmail.com)

Аннотация

Создан стенд для лазерного охлаждения и захвата атомов кальция в магнитооптическую ловушку (МОЛ). Получена МОЛ из атомов кальция-40 и оптимизированы ее параметры. Проведено наблюдение узкого резонанса флуоресценции атомного пучка кальция. Измерены частота и ширина резонанса на переходе 4s3d ¹D₂ – 4s5p ¹P₁ кальция-40 по увеличению интенсивности резонансной флуоресценции в МОЛ.

Ключевые слова: лазерное охлаждение, магнитооптическая ловушка, лазерная спектроскопия.

MAIN FEATURES OF THE STAND FOR THE CREATION OF A MAGNETO-OPTIC TRAP FOR CALCIUM-40 ATOMS

Research article

Sautenkov V.A.¹, Saakyan S.A.², Vilshanskaya E.V.^3, *, Arshinova I.D.⁴, Kudrinsky D.A.⁵, Zelener B.B.⁶

^{1, 2, 3, 4, 5, 6} Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia;

¹ Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia;

^{4, 5, 6} National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia;

² Higher School of Economics. National Research University, Moscow, Russia;

^{3, 6} Moscow Energy Institute (currently Moscow Power Engineering Institute National Research University, Moscow, Russia

* Corresponding author (eva.villi[at]gmail.com)

Abstract

A stand was created for laser cooling and trapping of calcium atoms in a magneto-optical trap (MOT). MOT was obtained from calcium-40 atoms and its parameters were optimized. A narrow fluorescence resonance of an atomic calcium beam was observed. The frequency and width of the resonance at the 4s3d ¹D₂ – 4s5p ¹P₁ calcium-40 transition were measured by increasing the resonance fluorescence intensity in the MOT.

Keywords: laser cooling, magneto-optical trap, laser spectroscopy.

Введение

Наши исследования связаны с изучением ансамблей ультрахолодных газов ридберговских атомов и ультрахолодной плазмы [1], [2], [3]. Атомы кальция представляют интерес в связи с возможностью регистрации ионов в оптическом диапазоне, эту особенность можно использовать для исследования свойств ультрахолодной неидеальной плазмы. Исследование холодных атомов в ридберговских состояниях, а также исследование самоорганизующихся структур в ультрахолодной плазме могут быть использованы для развития квантовых вычислений [4]. Ранее наша группа проводила исследования ультрахолодного ридберговского газа на установке по лазерному охлаждению атомов лития-7 [5-6]. В настоящей работе проведено описание созданной установки для захвата в МОЛ атомов кальция-40. Кальций является щелочноземельным металлом, и после его ионизации остается еще один электрон, имеющий сильные оптические переходы. Это свойство позволяет производить диагностику ультрахолодной плазмы кальция.

Экспериментальная установка

Первым этапом создания МОЛ и захвата атомного пучка является сборка установки и получение глубокого вакуума порядка 10^-10 Торр. На рис. 1 представлена принципиальная схема установки.

Рис. 1 – Схема установки по лазерному охлаждению атомов кальция-40:

Примечание: ФД₁ – фотодиод для регистрации флуоресценции атомного пучка, вылетающего из печки; ФД₂ – фотодиод для регистрации флуоресценции облака атомов в МОЛ

 

Экспериментальная установка состоит из вакуумной камеры и оптической схемы. Была разработана печь (источник атомного пучка), в которой кусок металлического кальция испаряется при температуре 450-500 . Печь состоит из резервуара для металлического кальция и тонкой трубки для коллимации атомного пучка. Система нагрева создает заранее рассчитанный градиент температуры вдоль тонкой трубки с помощью высокотемпературных нагревательных лент. Контроль температуры печи осуществляется при помощи пяти термопар. Атомы кальция попадают из печи в МОЛ через зеемановский замедлитель, где происходит первый этап охлаждения с использованием встречного лазерного луча на длине волны 423 нм. Диаграмма энергетических уровней для нейтральных атомов кальция-40 показана на рис. 2.

Рис. 2 – Диаграмма уровней атома кальция-40

 

Первым этапом создания вакуумной камеры является проектирование зееменовского замедлителя. Зеемановский замедлитель представляет собой катушку переменного радиуса, намотанную на полую стальную трубку, для создания неоднородного магнитного поля вдоль оси. Атомы движутся по трубке, навстречу им светит резонансное лазерное излучение с частотой охлаждающего перехода 4s^{2 1}S₀ – 4s4p ¹P₁. В результате происходит когерентное поглощение фотона со спонтанным распадом. Из-за уменьшения скорости атомов происходит изменение резонансной частоты атомного перехода вследствие эффекта Доплера . Мы используем метод, основанный на эффекте Зеемана , в котором частота атомного перехода подстраивается с помощью магнитного поля в каждой точке зеемановского замедлителя.

   (1)

где k – приведенная постоянная Планка,  – скорость атомов в точке z,  – магнетон Бора,  – величина индукции магнитного поля в точке z.

Для охлаждения и захвата атомов необходимо создать в системе глубокий вакуум. При откачке воздуха насосами проводился отжиг системы при температуре около 300  в течение недели. На первом этапе откачки использовались роторный и турбомолекулярный насосы. После получения вакуума 10^-5 Торр включались ионный и ионно-геттерный насосы со скоростью откачки 100 л/с. Комбинация насосов позволила получить вакуум менее 10^-10 Торр. Такой глубокий вакуум в камере достаточен для создания конденсата Бозе-Эйнштейна.

Экспериментальные результаты

Для проверки корректности работы созданного стенда был проведен эксперимент по наблюдению на фотодиоде ФД₁ флуоресценции атомного пучка, вылетающего из печи. На рис 3. представлен результат наблюдения флуоресценции атомного пучка с помощью перестраиваемого по частоте резонансного лазерного излучения 423 нм. Длина волны лазерного излучения сканировалась около частоты перехода 4s^{2 1}S₀ – 4s4p ¹P₁. Ширина резонанса составила 57.6 МГц, что сравнимо с естественной шириной линии кальция 34 МГц. Такой узкий резонанс связан с тем, что вылетающий из печи пучок кальция хорошо сколлимирован. Полученный резонанс можно использовать для стабилизации частоты лазерного излучения, формирующего МОЛ.

Рис. 3 – Резонанс флуоресценции пучка атомов кальция при сканировании частоты лазерного излучения вблизи охлаждающего перехода

Примечание: красная пунктирная линия – аппроксимация функцией Лоренца

 

Охладившись, пройдя зеемановский замедлитель, атомы кальция-40 попадают в МОЛ, где с помощью направленных с 6 сторон лазерных пучков производится их дальнейшее охлаждение и захват. Лазерные пучки МОЛ сформированы с помощью диодного лазера с длиной волны 423 нм. На рис.4 представлена фотография облака холодных атомов. Температура атомов составляет порядка , концентрация около .

Рис. 4 – Фотография облака холодных атомов в МОЛ, сделанная на бытовую камеру

 

Также для создания магнитооптической ловушки используется лазер оптической накачки, направленный с одной стороны в область захвата МОЛ на длине волны 672 нм. Лазер оптической накачки необходим для предотвращения попадания электронов в темное для МОЛ метастабильное состояние 4s4p ³P₁. Время жизни электрона в этом состоянии составляет 0.5 мс [7], при этом атомы перестают взаимодействовать с охлаждающими лазерами и уходят из магнитооптической ловушки. Для оптимизации работы магнитооптической ловушки была прописана линия резонанса на переходе 4s3d ¹D₂ – 4s5p ¹P₁ кальция-40 (рис. 5), ширина которого составила 77,3 МГц.

Рис. 5 – Резонанс флуоресценции облака холодных атомов в МОЛ при сканировании частоты лазера оптической накачки

Примечание: красная пунктирная линия – аппроксимация функцией Лоренца  

Измерены частота и ширина резонансной линии, полученной при помощи регистрации фотодиодом ФД₂ увеличения интенсивности резонансной флуоресценции в МОЛ. Ноль на рис. 5 соответствует частоте лазера оптической накачки 446,150894 ТГц.

Заключение

В заключение стоит отметить, что собрана установка по захвату атомов в магнитооптическую ловушку для изучения ультрахолодной плазмы кальция‑40. Разработан зеемановский замедлитель для первого этапа охлаждения атомов. Получен глубокий вакуум меньше 10^-10 Торр. Сконструирована печка для формирования атомного пучка и проведена регистрация флуоресценции кальция. Зарегистрирован сигнал флуоресценции МОЛ. По увеличению интенсивности резонансной флуоресценции в МОЛ подобрана оптимальная частота лазера накачки на переходе 4s3d ¹D₂ – 4s5p ¹P₁ кальция-40. Наши дальнейшие исследования связаны с исследованием неидеальной ультрахолодной плазмы кальция-40 и возможностью формирования в ней самоорганизующихся структур [8].

Финансирование Работа выполнена в рамках НИОКР по договору № Д-2473-19 от 16.12.2019 с АО "ГНЦ РФ ТРИНИТИ".	Funding The work was performed as part of R&D under contract No. D-2473-19 of December 16, 2019 with JSC “SSC RF TRINITI”.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Pohl T. Cold Rydberg gases and ultra-cold plasmas / T. Pohl, C. S. Adams, H. R. Sadephpour // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. – 2011. – Vol. 44. – №. 18. – P. 180201. doi: 10.1088/0953-4075/44/18/180201
2. Fortov V. Physics of strongly coupled plasma / V. Fortov, I. Iakubov, A. Khrapak. – Oxford University Press on Demand, 2006.
3. Gallagher T. F. Rydberg atoms / T. F. Gallagher. – Cambridge University Press, 2005.
4. Ryabtsev I. I. Spectroscopy of cold rubidium Rydberg atoms for applications in quantum information / I. I. Ryabtsev, I. I. Beterov, D. B. Tretyakov and others // Physics-Uspekhi. – 2016. – Vol. 59. – №. 2. – P. 196. doi: 10.3367/UFNe.0186.201602k.0206
5. Zelener B. B. Laser diagnostics of the energy spectrum of Rydberg states of the lithium-7 atom / B. B. Zelener, S. A. Saakyan, V. A. Sautenkov and others // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2015. – Vol. 121. – №. 6. – P. 950-954. doi: 10.1134/S1063776115120171
6. Zelener B. B. Forbidden 2P–nP and 2P–nF transitions in the energy spectrum of ultracold Rydberg lithium-7 atoms / B. B. Zelener, S. A. Saakyan, V. A. Sautenkov and others //Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2016. – Vol. 122. – №. 4. – P. 645-649. doi: 10.1134/S1063776116040099
7. Pasternack L. Experimental and theoretical study of the Ca I 4s3d 1D-4s2 1S and 4s4p 3P1-4s2 1S forbidden transitions / L. Pasternack, D. R. Yarkony, P. J. Dagdigian and others // Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics. – 1980. – Vol. 13. – №. 11. – P. 2231. doi: 10.1088/0022-3700/13/11/014
8. Bonitz M. Thermodynamics and correlation functions of an ultracold nonideal Rydberg plasma / M. Bonitza, B. B. Zelenerb, B. V. Zelener // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2004. – Vol. 98. – №. 4. – P. 719-727. doi: 10.1134/1.1757672