レーザー冷却と原子気体BECの物理の研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11216201
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 久我 隆弘 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 教授 (60195419)
• 研究分担者: 平野 琢也 学習院大学, 理学部, 助教授 (00251330) ; 佐々田 博之 慶應義塾大学, 理工学部, 助教授 (30146576) ; 鳥井 寿夫 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 助教授 (40306535) ; 吉川 豊 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 助手 (00345076)
• キーワード: レーザー冷却 / ボーズアインシュタイン凝縮 / 光群速度遅延・先駆 / 共振器量子電気力学 / 高輝度極低温原子線 / 光トラップ / rf放電 / 液体ヘリウム

研究概要

本年度の実績は以下の通りである。
(東大グループ)レーザー冷却されたルビジウム原子を光微小共振器内に導入し、共振器内を伝わる光パルスの伝播時間を測定した。その結果、共振器内に少数個の原子が存在している場合、光パルスの周波数に応じて、伝播速度を光速の10分の1程度にまで遅くできること、また、真空中の光速を超えて伝播するように見える現象を観測した。このように少数個の原子でも伝播速度を大きく変更できることは、量子情報処理への応用にとって重要な意味をもつ。また、本年度は研究の量終年度ではあるが、今後の当該分野の発展のためには必要不可欠と考えられる高輝度極低温ルビジウム原子線装置の開発を始めた。現在のところ、秒速約20m(温度換算で約50μK)、流量毎秒10^<11>個の低速ルビジウム原子線が得られており、これはほぼ予定通りの性能である。
(慶応大グループ)昨年に引き続いて準安定ヘリウム(He^*)のレーザー冷却のための低速のHe^*生成法を開発している。ガラスデュワーに液体ヘリウムを貯め、液面上方のコイルに50MHzのrfを印加し放電させる。生成したHe^*の吸収スペクトルを共鳴する赤外レーザー光により観測する。飽和効果やオプティカルパンピングの効果を考慮した実験と解析を行い、He^*の並進温度が11Kまで下がっていることがわかった。また、冷却用レーザーとして波長389nmの光源を開発している。チタンサファイアレーザー光の倍波を外部共振器内に置いたBBO結晶で発生させる。すでに発生には成功しており、効率の向上、周波数の安定化を進めている。
(学習院大グループ)スピン自由度を持つBECの物性研究のために光トラップの開発を行った。レーザー光線が1本のみの光トラップと、2本のレーザー光線のそれぞれを焦点で交差させる、交差型光トラップの2タイプを行った。レーザー光線1本のみによる光トラップでは、捕獲後の凝縮体が波のような集団運動を起こす事を見出した。これは、光トラップに凝縮体を移行する際の僅かなポテンシャル変化による事が実験から推測される。また、交差型光トラップにより、数秒程度と磁気トラップに匹敵する凝縮体の捕獲が光トラップで実現できた。光トラップされた凝縮体にラジオ波を印可することにより、多成分の凝縮体の生成に成功した。

研究成果

• [文献書誌] Y.Shimizu, N.Shiokawa, N.Yamamoto, M.Kozuma, T.Kuga, L.Deng, E.W.Hagley: "Control of Light Pulse Propagation with Only a Few Cold Atoms in a High-Finesse Microcavity"Phys.Rev.Lett. 89・23. 233001-1-233001-4 (2002)
• [文献書誌] K.Sanaka, K.Kawahara, T.Kuga: "Experimental probabilistic manipulation of down-converted photon pairs using unbalanced interferometers"Phys.Rev.A. 66・04. 040301(R)-1-040301(R)-4 (2002)
• [文献書誌] M.Haraguchi, Y.Shibayama, K.Kikuchi, M.Okamoto, H.Sasada, K.Shirahama: "Production of cold metastable helium atoms in a cryostat"Physica B. (印刷中).
• [文献書誌] R.Namiki, T.Hirano: "Security of quantum cryptography using balanced homodyne detection"Physical Review A. 67・02. 022308 (2002)
• [文献書誌] 平野琢也: "パルス光を用いた量子通信実験"応用物理学会誌. 72・2. 163-168 (2003)
• [文献書誌] 久我隆弘: "岩波講座・物理の世界「レーザー冷却とボーズ凝縮」"岩波書店. 100 (2002)