2019 Fiscal Year Annual Research Report
中空コアファイバ中の魔法波長光導波路を使った原子干渉計の開発
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18J21958
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
高橋 忠宏 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者は，中空コアファイバ中の魔法波長光導波路を使った本研究を実行するため，中空コアファイバ内部での光導波路の均一性の評価を行なった．この撮像系と冷却原子の狭線幅分光を組み合わせることで，ファイバ内での光導波路の均一性を，従来にない精度で評価することが可能となった．これにより，本来均一だと考えられていた中空コアファイバ内の光導波路が，不均一な形状をしていることがわかった。そこで，均一な光導波路内を新たに実現し，原子干渉計実現するために，長距離光導波路を共振器を用いて開発した。また，冷却原子の生成の手法を研究し，光格子時計に適用可能な温度(数μK,平均速度10 mm/s)まで冷却された冷却原子の生成を，原子干渉計が実現できる形に最適化した。レーザー冷却は，価電子配置で決まる原子の内部準位間の遷移を利用して行われるが，室温原子の冷却には10^4個程度のレーザーの光子が必要であり，光子一個あたり遷移の緩和時間相当の時間を要する。そのため，従来は強度の高い許容遷移(A)を使った予備冷却と，再加熱を防ぐ強度の弱い禁制遷移(B)を使った本冷却の二段階を用いていた。しかしこの二つの冷却遷移は準位を共有するため，同時・同場所で行うことができない。これが冷却原子の生成を妨げ，さらに，原子干渉計の高精度化に必須の技術である周波数測定を困難にしていた。そこで，二つの冷却遷移を別の場所で同時に行うことで冷却原子を生成できる実験パラメータ(磁場,冷却光の強度と形状など)を基に装置を設計した。原子の内部状態と運動を制御し，原子干渉計に適用可能な温度まで冷却された原子の生成を実現した。既に準安定状態上で1 mK以下まで冷えた原子を10^6個/s生成し，さらに本冷却にて約2 μKまで冷却することに成功している。
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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
第一年度における研究では，ファイバ内における光双極子ポテンシャルの均一性を，空間分解分光によって評価するという新しい手法を確立した．この手法が，今後のファイバ内原子干渉計実現に向けた重要な要素技術になる。また，中空コアファイバ内のポテンシャルが不均一であることがわかった。さらに実験を進めるため，第二年度では，中空コアファイバ内部の光光導波路の不均一の解決策については具体的に提案できなかったが，代替案として第一年度での知見を生かし，リング型光共振器を用いた長距離光双極子の実現を目指した。本実験のためには，長距離に及ぶ光導波路を実現し，中の原子の状態を遷移させて観測させる必要がある。そのため，立体角の大きな，長方形型の真空窓や，長距離での磁場の均一性を確保した装置を設計し，その装置の立ち上げ，冷却原子の生成実験まで完了させることができた。これらの観点から，概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画では，中空コアファイバを用いて長距離におよぶ原子の導波路を実現することを提案し，実験していたが，中空コアファイバ内のポテンシャルが不均一であることがわかった。この不均一性の原因の特定および解決と並行して，原子干渉計に向けた他の要素技術の開発を先に行うこととした。第二年度にて設計開発を終了した実験装置を用いて，（1）極低温原子(~μK)の生成の実証実験と（2）時計遷移分光の実証実験を行う。（1）では1.1 mK以下まで冷えた原子を106個/sの速度で生成し，さらに約2 μKまで冷却することを目指す。現在実験の主要部分はすでに完了し，特許申請の作業を行うと同時に，主著者として論文を執筆中である。（2）では，時計遷移の分光実験を実施する。(2)にて開発した装置で引き続き実験を行い，時計遷移周波数νをδν=10 Hzで分光するを目指す。
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