Compact visible light sources with stable wavelengths and long lifetime towards implementation of quantum simulators

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K20356
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Takano Tetsushi 京都大学, 理学研究科, 特定准教授 (80773530)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Keywords: 外部共振器レーザ / 可視光半導体レーザ / レーザ冷却 / 量子シミュレーション

Outline of Final Research Achievements

This study aims to develop a compact 399 nm laser with a stable wavelength and long lifetime. Since this laser is one of the bottlenecks for the miniaturization of ytterbium (Yb) atom quantum simulators and optical lattice clocks, the achievement of this research will significantly facilitate the portability and practical application of quantum simulators and optical lattice clocks. In this study, we attempted to achieve the above goal using two methods: an interference-filter external cavity laser using a gallium nitride semiconductor or a Faraday laser using a Yb atomic gas. As a result, we succeeded in fabricating the former laser, and after evaluating its spectral purity, we succeeded in observing cooled Yb atoms. For the latter, we also created an oven for Yb atoms.

Free Research Field

量子エレクトロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、直接接合された結合ミラーを用いて、可視光の干渉フィルタ型外部共振器半導体レーザを作ることができることを示した。そして、このレーザが冷却Yb原子の観測に使用することができることを示した。従来、可視光半導体レーザを用いて干渉フィルタ型外部共振器レーザを構成すると、寿命が短くなることが知られていた。本研究は、この原因が結合ミラーに光を集光することによって光集塵がおき、ミラーが劣化することにあると考えた。そして、直接接合された結合ミラーの接合面で光を集光して反射させることにより、これを回避できることを示した。この結果は、量子シミュレータ・光格子時計の可搬化・実用化を大きく促進する意義がある。