2014 Fiscal Year Research-status Report
極低温 Rydberg 原子を用いた低周波帯単一光子源の開発
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26610126
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
前田 はるか 青山学院大学, 理工学部, 教授 (80260199)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | Rydberg 原子 / 単一光子 / ダイポールブロケイド / 超放射 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目的は THz-サブGHz領域の低周波帯において動作する準波長可変単一光子源の実現である。そのための独自な手法として磁気光学トラップ中に生成された冷却 Rb 原子を高励起 Rydbberg 状態に励起し、その結果出現するダイポールブロケイド効果を利用することを計画した。
本年度では、まず準備的な実験研究として、真空中に生成した原子ビーム、及び原子分光セルを利用し、パルス色素レーザーを用いて原子を共鳴的にRydberg状態へ励起し、原子密度などの条件を最適化することで隣接する Rydberg 準位間に遷移が起こることを観測することを行った。始状態となる Rydberg 準位の励起を選択的に行うことでそこから放射される低周波光子の波長をおおよそ選択できると考えられ、この実験は本研究の最終目的である準波長可変単一光子源実現のために重要である。実験の結果、真空中の原子ビームに超放射による遷移が起こること、条件によっては複数の波長を伴う遷移が同時に誘起されることなどを確認した。この実験結果を踏まえ、Rydberg原子から単一の波長のみを取り出すためのマイクロ波～THz共振器を作成した。一方、分光セルを用いた実験では超放射を確認することができず、今後の更なる追求が求められる結果となった。
これらの予備的実験と同時に、Rb の磁気光学トラップに冷却 Rydberg原子を生成し、冷却 Rydberg原子の超放射現象の観測を試みた。本実験では、しかしポジティブデータを得ることが出来ず、その磁気光学トラップのトラップ用レーザーの改良が必要であることが明らかにされた。
その他、低周波源として利用するための雑音となる、室温黒体輻射場の冷却 Rydberg原子への影響や、周囲の原子と冷却 Rydberg原子の衝突の影響などについて、幾つかの知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
高温 Rydberg原子が超放射を起こす場合、ドップラー効果がその競合過程となって超放射現象を阻害するとされる。一方、冷却 Rydberg原子ではドップラー効果が無視出来るため、より容易に超放射が出現すると考えられる。そこで、冷却 Rydberg 原子から放出される低周波を超放射光として直接観測することを目的とした実験を最初に試みた。しかし実験ではポジティブデータを得ることができず、上記のシナリオが必ずしも成り立たないことが判明した。その原因として、本実験で生成した冷却 Rydberg 原子サンプルのディメンジョンが波長かそれ以下程度の大きさしか持たないことに起因する、超放射のモードマッチング問題が予測される。サンプルのディメンジョンは磁気光学トラップのための冷却レーザービームの径によって規定されており、ビーム径を大きくすること等々で解決されると考えられる。このことを行うためには新たに光学素子を購入する必要があり、本年度はそこまで到達できなかった。
更に、本実験で使用している冷却原子生成のための磁気光学トラップには真空引きにターボ分子ポンプ及びイオンポンプを使用しているが、 ターボ分子ポンプに不具合が生じ、そのオーバーホールが必要となったこと、及び研究室の空調設備に不具合が生じ、その修理が必要になったことが、実験の遅延に繋がった。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは本年度、上述した、実験最中に生じたターボ分子ポンプのオーバーホール及び空調設備の修理を本年度の予算を使用して行い、早急に実験を開始することから始める。
更に、幾つかの光学素子を購入して、レーザービーム径を大きくし、まずは冷却 Rydberg原子からの低周波光の超放射を観測することを試みる。
また、上述した原子ビーム実験で行ったことをそのまま冷却 Rydberg 原子を対象に行い、定量的に実験データを獲得することを試みる。特に、既存の超放射モデルでは説明されていない、超放射確率の、Rydberg 原子の主量子数 n 依存性に着目した測定を行う。
一方、開発中途にある冷却 Rydberg 原子励起用のシングルモードレーザーを完成させ、これを用いて冷却 Rydberg 原子にブロケード効果を観測することを試みる。更に、本年度作成したマイクロ波～THz共振器を磁気光学トラップに導入することを試みる。
これらの事が終了した後、来年度にはシングルモードレーザーを用いて単一冷却 Rydberg 原子を磁気光学トラップ中に励起し、共振器をもちいて下準位へと脱励起させることで、単一低周波光子の生成実験を試みる。
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Research Products
(1 results)
