1.State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Opto-Electronics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China 2.Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
Abstract:It is helpful to make full use of the laboratory space by simplifying the cold atom experimental system, especially in the area of aerospace and precision measurement. We present a two-dimensional magneto-optical trap (2DMOT) for sodium atoms, whose magnetic field is produced by four sets of permanent magnets, and the residual field in the vertical direction is used for a Zeeman slower. The atoms are cooled and trapped in a 2DMOT which provides a highly efficient atomic flux for three-dimensional magneto-optical trap (3DMOT) in a high-vacuum chamber. The maximum 3DMOT loading rate is measured to be 2.3 × 109/s by optimizing the parameters of the Zeeman slower and the 2DMOT. The atom number trapped in 3DMOT is 6.2 × 109. The 2DMOT designed by using permanent magnets has the property of compact structure and simple size, which can be used to cool and trap other neutral atoms. Keywords:permanent magnet/ laser cooling/ two-dimensional magneto-optical trap
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--> --> --> 1.引 言超冷原子系统由于所有的物理参数都可以实现人为控制, 不仅在量子模拟领域有广泛的应用[1-6], 而且在精密测量等实际应用领域也表现出独特的优势[7-9]. 实验上实现超冷原子的冷却俘获, 需要高真空的维持和光场、磁场的精确控制[10-12], 因此需要庞大的实验装置来满足这些要求. 基于实际应用的角度考虑, 如何在空间上最大地优化实验装置, 来满足在航天领域、精密测量领域的高度移动性需求是目前大家普遍关心的问题. 为了在空间上简化实验装置和时间上缩短超冷原子的制备过程, 人们发展了许多实验技术大大缩短了超冷原子的制备时间, 比如采用二维磁光阱为处于高真空的三维磁光阱提供一个高效的冷原子束流[13], 这样的设计保证了三维磁光阱的高真空度和快速的原子装载; 采用全光的方案实现超冷原子的制备[14,15], 减少了在磁阱中的原子装载和预冷却过程; 采用直接的光学冷却将超冷原子冷却到量子简并[16,17], 减少了传统的蒸发冷却过程. 在空间简化实验装置方面, 冷却碱金属原子Li, Na一般需要采用塞曼冷却技术[18-20]将原子减速到小于三维磁光阱的俘获速度, 才能在三维磁光阱中实现冷却俘获[21,22]. 其中塞曼冷却装置所需的磁场由通电线圈提供, 通常长度在1 m左右. 这种设计不但占用较大的空间, 而且需要额外的冷却系统来对通电线圈进行冷却. 而采用永磁铁取代通电线圈提供用于塞曼冷却所需磁场的方案[23,24], 可以极大地在空间上优化实验装置, 且不需要复杂的冷却系统. 为了增加冷原子系统的便携性, 人们发展了原子芯片技术, 将实验中需要的磁场集成到约25 mm × 30 mm的原子芯片上[25,26]. 本文介绍了实验上采用四组永磁铁产生的磁场构造了冷却俘获钠原子的二维磁光阱, 并且利用永磁铁组在竖直方向的剩余磁场满足了塞曼冷却钠原子的磁场需求. 这样设计的二维磁光阱为三维磁光阱提供了一个高效的原子束流. 通过优化二维磁光阱和塞曼光场的参数, 在三维磁光阱中测的最大原子装载率达2.3 × 109/s, 实现了6.2 × 109个原子的俘获, 这个结果可以比拟使用塞曼冷却装置方案的原子装载率. 对比为三维磁光阱提供原子束流的传统塞曼冷却装置, 这种采用永磁铁构建二维磁光阱的方案由于是径向原子装载, 高温钠炉中喷射出的高速原子不会穿过差分管影响三维磁光阱所在的高真空环境, 还可以避免其与三维磁光阱中已俘获原子发生碰撞引起的损耗. 这种设计方案具有资源投入少、节约实验空间、不需要额外的冷却装置等优势, 可以推广到冷却俘获其他中性原子. 2.钠原子二维磁光阱实验装置采用永磁铁构建二维磁光阱的方案首先由Tiecke等[27]成功应用于俘获碱金属原子6Li. 由于此方案与传统塞曼冷却方案相比有独特优势, 目前已经被应用于冷却碱金属原子23Na[28], 39K[29]和碱土金属原子Sr[30], 并且Li等[31]提出了多变带冷却光的优化方案并在实验上获得了大数目的6Li原子. 本实验中采用的真空系统如图1(a)所示, 可以看出二维磁光阱所处的真空腔为一个不锈钢八边形真空腔, 真空度为2.5 × 10–8 Pa, 采用40 L/s 的离子泵维持真空度. 真空腔所占空间尺寸约为150 mm × 150 mm × 70 mm. 装有5 g钠的原子源位于八边形真空腔的正下方, 与真空腔中心垂直距离210 mm, 通过CF16法兰与八边形真空腔体相连. 三维磁光阱所处的真空腔为熔融石英制造的长方体玻璃腔体(40 mm × 40 mm × 100 mm), 真空度为1 × 10–9 Pa, 采用150 L/s 的离子泵维持真空度. 两级真空腔体的几何中心的水平距离280 mm (沿x轴). 为了维持两个真空腔的压强差, 实验上采用一个长度190 mm、内部直径6 mm、无氧铜制造的差分管连接两个真空腔体. 图 1 (a)真空系统示意图; (b)二维磁光阱的实验装置(插图为沿y轴观测到的原子团); (c) D2线钠原子的冷却方案 Figure1. (a) Diagram of the vacuum system; (b) schematic diagram of the two-dimensional magneto-optical trap (2DMOT), the insert shows the observed atoms along y axis; (c) sodium cooling scheme on the D2 line.
实验中二维磁光阱光路是由两束交叉的589 nm激光束组成, 如图1(b)所示. 两束激光分别与z轴成 ± 45°穿过八边形真空腔, 再被零度高反镜原路反射. 二维磁光阱的高斯光束直径为20 mm, 单束光的总光强约为2.5Isat (Isat为饱和光强, ${I_{{\rm{sat}}}} = 6.26\;{\rm{ mW/c}}{{\rm{m}}^{\rm{2}}}$[32]), 其中包含冷却光和再抽运光两种频率组分, 光强比约为${I_{{\rm{cool}}}}/{I_{{\rm{repump}}}} \approx 3$. 冷却光频率相对于23Na D2线$\left| {{3^2}{{\rm{S}}_{{1 / 2}}},\; F = 2} \right\rangle \to \left| {{3^2}{{\rm{P}}_{{3 / 2}}}, F = 3} \right\rangle$负失谐18.2 MHz, 再抽运光频率相对于23Na D2线$\left| {{3^2}{{\rm{S}}_{{1 / 2}}}, F = 1} \right\rangle \to \left| {{3^2}{{\rm{P}}_{{3 / 2}}}, F = 2} \right\rangle $负失谐57.3 MHz, 如图1(c)所示. 实验上为了提高二维磁光阱的原子俘获率, 采用一束线偏振的塞曼减速光沿–z方向照射原子, 其中塞曼冷却光频率相对于23Na D2线$\left| {{3^2}{{\rm{S}}_{{1 / 2}}}, F = 2} \right\rangle \to \left| {3^2}{{\rm{P}}_{{3 / 2}}}, F = 3 \right\rangle $负失谐309 MHz, 塞曼再抽运光束频率相对于23Na D2线$\left| {{3^2}{S_{{1 / 2}}}, F = 1} \right\rangle \to \left| {{3^2}{P_{{3 / 2}}}, F = 2} \right\rangle $负失谐251.3 MHz. 为了构造二维磁光阱所需的磁场, 实验中通过设计4个汝铁硼(Nd-Fe-B)永磁铁组的磁场空间分布来实现. 每组包括9个磁铁, 每个磁铁大小为30 mm × 10 mm × 3 mm. 将4个磁铁组分别放置在xz平面中一个长方形的4个顶点, 每个磁铁组的几何中心与长方形的顶点重合, 长方形的几何中心与八边形真空腔的几何中心重合, 如图2所示. 长方形边长沿z轴长105 mm, 沿x轴长80 mm (x轴是二维磁光阱的轴线方向), 在x = 0平面原子冷却区域,测量z方向的磁场梯度为35.8 G/cm[33] (1 G = 10–4 T). 同时永磁铁组在z轴方向的剩余磁场用作竖直方向塞曼减速原子所需的磁场. 图 2 (a)二维磁光阱的磁场分布模拟图; (b), (c), (d)分别是yz平面、xz平面、xy平面的磁场分布模拟图(图(b)中分别标出了沿着y轴和z轴磁场变化) Figure2. (a) Magnetic field distribution in a two-dimensional magneto-optical trap; (b), (c), (d) are the magnetic field distribution in yz plane, xz plane and xy plane, (The curves in panel (b) shows the magnetic field change along y-axis and z-axis).
实验中, 二维磁光阱为三维磁光阱提供原子束流, 三维磁光阱中俘获的原子数随时间的变化(如图3所示), 可以用简单的速率方程模型来分析[36,37] 图 3 打开和关闭塞曼减速光两种情形下的三维磁光阱中原子装载曲线 Figure3. Atom loading curves in three-dimensional magneto-optical trap (3DMOT) with and without the Zeeman slower beam.