2015 Fiscal Year Research-status Report
光近接場における局在光‐冷却原子間の高次相互作用の観測およびメカニズムの解明
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15K05234
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| Research Institution | Chuo University |
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Principal Investigator |
東條 賢 中央大学, 理工学部, 准教授 (30433709)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 冷却原子輸送 / エバネッセント場 / 多重極子遷移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザー冷却原子集団の原子数安定化および低温化を実現し，原子集団の輸送制御に成功した。ガラス表面の近接場領域への輸送も確認し，近接場光学実験の基礎実験に着手した。
具体的には、冷却Rb原子数および温度を安定させるためにこれまで使用していたレーザー光源の安定化と，3軸の打ち返し型から独立した6本の冷却レーザー光のシステムへ改良し光軸を最適化した．その結果，冷却原子の空間保持のためのレーザー光源を開発し光トラップを実現し、2015年度初期に得られた原子数の10倍程度にまで最適化した。また、複数の光トラップを同時に導入し１辺200 μm以下の領域に原子集団を閉じ込めること成功した。結果，輸送制御に必要な10^6程度の原子数かつ10μK程度の超低温まで到達した．次に高強度光トラップの空間制御装置整備を行った。光トラップをガラス表面で7度程度の斜入射条件により重力方向に定在波を作る．ガラス表面から下方15 mmの位置に保持された冷却原子集団に対し，自動ステージによりガラス表面への輸送を実現し、原子集団を表面近傍への導入に成功した．また定在波について，パラメトリック共鳴実験により10μm程度の空間周期を確認した．閉じ込め後の開放打ち上げ実験により，表面から1 μm以下の領域の測定実現を数値計算でも確認した． さらに半球面側からレーザー光を全反射条件で入射する実験を行った．共鳴レーザー光を新たに導入しエバネッセント場内の冷却原子を励起させてトラップから逃がす．共鳴レーザー有無による原子への影響を確認し，エバネッセント場内の冷却原子の励起を実現した．
他方で，特殊なナノ構造を持つ近接場中における電気および磁気多重極子相互作用の数値計算を行った．多重極子ではナノ構造による磁場の増強効果を確認し，数十 nmの微小空間での電磁場増強と急峻な電場勾配を評価した．高次多重極子で優位な実験可能性を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画において，「冷却原子の誘電体表面への誘導」「エバネッセント光内での冷却原子の分光」を主な目的とし，手段として高強度光双極子力トラップの最適化と光及び磁場を組み合わせた冷却原子の誘電体への輸送を用いた．2015年度において，冷却原子数および温度の安定化により真空中冷却原子の空間保持を再現性よく実現可能とし，誘電体であるガラス表面への輸送を実現している．ガラス表面に生成する定在波へのトラップについて，光強度を振動させるパラメトリック共鳴を施すことでトラップ周波数の同定を行い定在波が存在しないと現れない共鳴周波数を確認している．次に，エバネッセント光について，当初予定のRb D2線（780 nm）のレーザー光を用いた励起を実現し，表面近傍原子の吸収および発光現象を確認している．EMCCDによる発光観測については装置の複雑さから導入には至っていないが，分光システムに必要な非球面レンズの設計および製作は終了し，予備実験として同程度のシステムの測定評価について別途CMOSカメラを用いて評価中である．
また，超高真空槽環境については設計変更し次年次以降に持越しとなっている．これは，現状の中程度真空槽での冷却原子の寿命を評価した際，条件により数百ms以上の寿命となる可能性を見出し，現状の真空槽でも多くの実験が実現可能であることがわかったためである．引き続き現有の真空槽を用いた高次遷移実験への準備を始め，順調に計画どおりに進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の研究により，現有の真空槽でも予定していた多くの実験が実現可能であることがわかったため，2016年度ではこの装置内での高次遷移実験を準備する．まず安定的にガラス表面近傍へ冷却原子導入するために，光双極子力トラップの改良を行う．全光学的に冷却原子集団を効率よく光トラップへ導入するために現有の高強度光トラップの他に補助的な光トラップを用意する予定である．またガラス表面原子では振動や迷光の影響を排除する必要があるため，真空装置近辺の振動対策および熱膨張の影響の低減化（温度安定化）等を行う．光源についてはチタンサファイアレーザーの整備を行い，高次の電気四重極子遷移 5S - 5D 遷移（389 nm）のための第二次高調波発生器の安定化および室温原子を用いたスペクトル測定を利用した波長安定化を目指す．同レーザー光源を用いて電気八重極子遷移 5S - 5 F 遷移（373 nm）の出射も可能であり冷却原子を用いたスペクトル測定を試みる．一方で，高次の多重極子遷移は遷移レートが格段に低下するため，冷却原子集団の低温化および高密度化を行う．また長距離相互作用を有し高感度測定に適したボースアインシュタイン凝縮の安定生成を施し，高次遷移の遷移レート増強と分光評価を行う．さらに表面近傍での簿凝縮体生成を目指し，エバネッセント場におけるボースアインシュタイン凝縮体を用いた多重極子遷移の励起スペクトルを観測し冷却原子-誘電体間相互作用ダイナミクス観測を試みる．
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| Causes of Carryover |
当該年度1万円以下の残額については，年度末の価格変更や割引セール等によって生じており，効果的に使用するために次年度へ先送りすることにした．必要な光学機器類は消耗品であっても通常1万円以上のものが多く，また少額購入の場合は通常不必要な送料等が余分にかかるため，税金を原資とする科研費の効果的活用に支障をきたすと思われたためである．次年度も多くの消耗品を用意する必要があるため総合的に判断した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度においては主に光学機器の消耗品購入費の一部として残額を当てる予定である．具体的には次年度の新規光トラップ用の光学部品（主にレンズおよび保持マウント）の購入時の一部として充当する．研究進捗自体は計画通りに行われており，残額を次年度に回すことによる支障は全くない．
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Research Products
(6 results)
