Name: cooling an optically trapped ultracold fermi gas by periodical driving
Uploaded: 2017-03-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 21 s
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We thank Ji Liu and Wen Xu for involving in the experimental setup. Le Luo is a member of the Indiana University Center for Spacetime Symmetries (IUCSS). This work was supported by IUPUI and IUCRG.

주 :이 프로토콜은 다음과 같은 장치를 포함하는 조립식 초저온 원자 장치 필요 개의 외부 공동 다이오드 레이저 (ECDL)에서, ECDL 대한 잠금 설정하는 단계 (10)를 고정 주파수 오프셋 ODT위한 광섬유 레이저, 레이저 강도를 변조하는 AOM , 소스 발생기와 전력 증폭기를 갖는 무선 주파수 (RF) 안테나 시스템, CCD 카메라로 흡수 이미징 시스템 순서 및 데이터 획득 (DAQ), 화상 데이터 처리 및 분석을위한 컴퓨터 프로그램을 타이밍하기위한 컴퓨터 프로그램, MOT 및 바이어스 자계 용 전자석의 쌍 느린 (도 1에 도시 한) 6 리튬 증기 오븐 및 제만 포함하는 초고 진공실. 주의 : 다른 권한과 파장의 세 가지 레이저가 사용된다. 관련 레이저 안전 데이터 시트를 참조하고 적절한 레이저 안전 고글을 선택하십시오. 1. 타이밍 계속ROL 참고 : 모든 타이밍 시퀀스는 타이밍 제어 프로그램을 통해 128 채널 PCI DAQ 카드에 의해 제어됩니다. 타이밍 시퀀스의 해상도는 100 μS이다. 여러 기기 제어 프로그램 등과 파이버 레이저 임의 함수 발생기 (AFG) ODT AFG 임의 펄스 생성기 (APG), 파라 변조 AFG, MOT 멀티플렉서, RF 발생기와 같은기구의 설정을 제어하는 데 사용된다. <ol><li> 타이밍 제어 프로그램과 기기에 대한 제어 프로그램을 엽니 다. 주 : 타이밍 제어 프로그램은 타이밍 제어 파일을 실행하기위한 제어 단자 TTL (트랜지스터 - 트랜지스터 논리) 신호를 전송한다. 일부 악기는 실시간 제어를위한 GPIB (IEEE 488)하여 컴퓨터에 연결되어 있습니다. </li><li> 실험 타이밍 파일을 작성하고 표 1에 열거 된 타이밍 매개 변수를 설정합니다. 주 : MOT 타이밍 시퀀스 이후 또한도 2에 의해 도시된다. </li></올&gt; CCD 카메라 (2)의 제조 참고 : CCD 카메라는 차가운 원자의 주요 진단 도구입니다 차가운 원자의 흡수 영상을 기록하는 데 사용됩니다. <ol><li> CCD 카메라 드라이버 및 제어 프로그램을 켭니다. 입자상 속도계 (PIV) 모드 (11)에 CCD 카메라를 설정한다. 5 MS에 CCD 노출 시간을 설정합니다. 참고 PIV 모드 흡수 영상의 신호 대 잡음비를 증가시키는 신호 및 기준 프레임 사이의 시간 간격을 감소시킨다. </li><li> CCD에 노출을 제어하기 위해 외부 트리거를 사용하여 참고 : CCD 트리거 시간은 표 1에 나열되어 있습니다. </li></ol> 3. 671 nm의 레이저 제조 주 : 500 mW의 출력 전력을 갖는 671 nm의 단일 주파수 ECDL는 MOT 냉각 및 트래핑 빔을 생성하는데 사용된다. 35 mW의 또 671 nm의 흡수를 ECDL 이미징에 사용된다. 디지털 레이저 현재 변조 방식 (DLCM)레이저 주파수 안정화 10에 적용된다. 종래 6 리튬 에너지 준위는도 3a에 도시된다. 20 ± 1 ℃의 실내 온도 안정성 레이저 주파수 로크 최적의 안정성이 요구된다. <ol><li> MOT 레이저 준비 주 : 광 설치하고 DLCM 방법의 중요한 결과는 참조 번호 10로 표시된다. <ol><li> 6 개의 리튬 원자 증기 셀 히터를 켜고, 340 ℃로 따뜻하게. </li><li> 1 시간 동안 AOM 잠금 레이저를 따뜻하게. </li><li> 레이저 주파수 잠금 컨트롤러 전원을 켜고 소프트웨어를 엽니 다. 소프트웨어의 ECDL의 레이저 회절 격자와 현재의 변조를 켭니다. 주 : 변조 주파수와 진폭 변조 격자 각각 5 Hz에서 1.0 V로 설정된다. 현재 변조의 변조 주파수와 진폭은 레이저의 선폭 감소 100 kHz와 각각 0.0015 V의 프로파일을 설정한다 (10). </li><li> ECDL 방출을 켭니다. 주 : 레이저 광이 광학 셋업 MOT 통과 실험 진공 챔버에 도달한다. </li><li> 도 3b에 도시 된 바와 같이 6 개의 리 D 2 라인의 로크의 에러 신호가 관찰 될 때까지 약간의 조정을 수동으로 레이저 주파수를 ECDL 레이저의 전류를 조정한다. </li><li> 2/2 P 3/2 전이 → 2 (2) 1/2 S (F = 3/2)로 제어 소프트웨어 잠그기 점을 설정 (도 3a 참조 3B). 이어서,이 전이에 레이저 주파수를 잠그고, 전이 (10)의 중심에 고정 점을 조정한다. 주 : 레이저 주파수가 고정되면, 로크의 에러 신호가 잠금 지점 주변의 주파수 변동에 대응하는 로크 지점에서 작은 변동을 나타낸다. </li></ol></li><li> 이미징 레이저 준비 주 : 광 설치 오프셋 로킹 방법의 중요한 결과는 참조 번호 10에 제시되어있다. <ol><li> 고정 오프셋 RF 신호 발생기를 켜고. </li><li> 격자의 변조 켜고 V. 2 행의 변조 진폭을 증대 </li><li> 3.1.4.-3.1.5에 주파수 튜닝 과정을 반복합니다. 오실로스코프의 레이저 주파수 박동 에러 신호 및 RF 스펙트럼 분석기를 얻을 수 있습니다. </li><li> 두 PID 피드백 모듈을 통해 고정 오프셋의 고동 신호로 레이저 주파수 잠금. 주 : 레이저 주파수가 고정되면, RF 스펙트럼의 고동 신호의 스펙트럼 로킹 지점에서 정지한다. </li></ol></li></ol> 4. 이미징 흡수 제조 주 : 원자 개의 영상 프레임을 필요 흡수 이미징 프로브로되어있다. 원자와 함께 첫 번째 신호 프레임이고, 원자없이 두 번째 참조 프레임이다. <ol><li> APG를 켜십시오촬상 빔 AOM. </li><li> 10 μS에 이미징 펄스 지속 시간을 설정하고 5.5 MS에 두 개의 영상 프레임 사이의 간격 시간을 설정합니다. </li><li> 여기서 I 토 = 2.54 메가 와트 / cm 2 6 2 리 D 라인의 포화 흡수 강도 I가 앉아서 약 0.3 촬상 광 강도를 설정한다. </li></ol> MOT 5. 냉각 원자 주 : MOT는 극저온 원자 실험에 광범위하게 사용되는 냉각 방법이다. 이 섹션은 약 300에서 약 μK 억 6 리튬 원자의 MOT를 생성한다. <ol><li> 느린 아톰 소스 <ol><li> 오븐 히터를 켜십시오. </li><li> 오븐 온도 (표 2 참조)의 동작 영역에 도달하면, 느리게 제만위한 냉각 팬 켜. 서서히 각각 7 A와 1 A로 두 교차 코일의 전류의 느린 9.2 A. 턴 전류를 증가시킨다. 노트:표 2에 나와 오븐의 온도 분포는 원자의 소스 (12) 및 시준 수명을 위해 최적화된다. 전자 레인지의 히터의 위치는도 4에 도시되어있다. </li><li> 원자 셔터를 개방함으로써 수동 제만 느린 레이저 빔을 차단 해제. 192 MHz의 레이저 빔의 주파수를 설정한다 (2) P (2) 전이 3/2 → 2 (2) 1/2 S (F = 3/2)로 빨강 이조. 주 :이 설정에 의해, 원자의 속도가 100m / s의 1,400m / s로 느려진다. 느린 제만은도 5에 도시되어있다. </li></ol></li><li> 자기장 그라데이션 주 :이 장치 방지 헬름홀츠 또는 헬름홀츠 자계 중 하나를 생성하는 H 브리지 스위치 회로에 의해 제어되는 한 쌍의 코일을 사용한다. 코일 과열을 방지하는 냉각 물이다. <ol><li> 천천히 6 갤런 / 분 수류 켜. </li><li>MOT 로딩 타이밍 파일로 타이밍 제어 프로그램을 실행하여 방지 헬름홀츠 자기장 구성의 H 브리지를 설정한다. </li><li> 자석 &#39;전원 공급 장치를 켜고 MOT 약 22 G / cm의 자기장 경사를 만들어 그 제어 프로그램을 통해 약 (18)에 각 코일의 전류를 설정. 주 : 자기장 변화가 켜진 후 정적 MOT는 실험 챔버에서 관찰된다. </li></ol></li><li> 동적 MOT 주 : (6) 리튬 MOT 광학 설치 서로 직교 모든 쌍 MOT 빔 전파 카운터 세 쌍을 포함한다. MOT 각 빔은 빔 및 냉각 repumping 빔을 포함한다. 강도 및 버튼 확장 박스 (AOM)에 의해 제어되는 광속의 주파수 detunings은 세 단계에 대한 변화된다. 버튼 확장 박스 (AOM)의 제어 전압은 타이밍 제어 장치에 의해 명령 멀티플렉서 회로를 통해 설정된다. 세 단계의 매개 변수는 표 3에 나열되어 있습니다. 광학 평신도MOT 빔에서도 6에 도시된다. <ol><li> 로드, 컴파일 및 소프트웨어 제어 루프에 타이밍 제어 프로그램의 실험시기 파일을 실행합니다. 실험의 타이밍은 MOT 로딩 단계로 시작합니다. MOT에서 약 109 원자를 나타내는 V (2)에 도달하는 광 검출기의 MOT 형광 신호를 모니터. 주 : MOT의 형광은 약 10-4 라드의 공간 각도로 렌즈에 의해 수집된다. 로딩 단계 원자 번호가 참조 번호 (13) 방법에 의해 계산 될 수있다. </li><li> 로딩 단계가 종료하기 전에 감속 빔을 차단하는 광 셔터를 사용한다. 주 : 감속 빔 셔터 타이밍이 표 1에 나와있는 실험 타이밍의 제어하에도이다. </li><li> 집합 강도 및 냉각 단계에 대한 표 3에 따라 MOT 레이저 빔의 주파수 detunings. 주 : 상기 냉각 단계 후, 온도MOT는 약 300 μK로 감소된다. </li><li> 펌핑 단계의 경우, 프로그램 파일 타이밍 실험은 AOM과 함께 repumping 빔을 끕니다. 주 : 펌핑 단계는 낮은 미세 상태 2/2 1/2 S (= 1/2 F)에 모든 원자 펌프. </li><li> MOT 빔을 끄고 AOM하여 원자 전이 공진 아래 레이저 주파수 30 MHz의 이동, 광학 셔터 버튼 확장 박스 (AOM)과의 누출 광을 차단. 주 : MOT 단계 후에, 원자 클라우드 공진 광의 누설은 원자의 손실을 초래할 것이다. AOM 제어와 MOT 빔 셔터의 타이밍은 모두 표 1에 나열되어있다. </li><li> 동적 MOT 후 카메라로부터 영상 프레임을 취득. MOT의 흡수 이미지를 가져옵니다. 주 : MOT의 원자 수는 약 107 펌핑 단계 이후이다. MOT의 전형적인 흡수 화상은도 7a에 도시된다. </li></ol></li></ol> &lt;P 클래스 = &quot;jove_title&quot;&gt; 6. ODT와 함께 초저온 페르미 가스 준비 <ol><li> 광학 쌍극자 트랩 참고 : ODT는 극저온 페르미 가스를 생성하는 주요 도구입니다. 깊은 ODT, 1,064 nm의 파장에서 100 W의 발광 파워를 가진 레이저 광을 생성하기 위해 사용된다. ODT의 설정은도 8에 도시된다. <ol><li> 레이저 빔 덤프 냉각 수류를 켜고. </li><li> 수동으로 1 V에 ODT AOM 제어 전압을 설정합니다. 13 W의 발광 파워 파이버 레이저를 켜고. </li><li> 적외선 뷰어로 ODT 광학계를 확인하고, 아르곤 가스 유동과 먼지를 제거한다. 주 : 광학계에 먼지가 ODT의 공간적 프로파일을 변경하고, ODT의 불안정성을 야기 할 수있다. </li><li> 게임용 제어 프로그램을 통해 레이저 펄스를 생성하기 위해 상기 광섬유 레이저 AFG 명령. 참고 : 레이저 펄스의 출력은 실험의 타이밍에 의해 트리거되며,이 펄스의 시작 시간은 MOT 로딩 단계가 끝나기 전에 14 밀리로 설정됩니다. PULS즉 시퀀스 제어는도 1에 도시 한 타이밍은 표 1에 열거된다. </li><li> 수동 8 V (포화 RF 전력의 80 %)에 ODT AOM 제어 전압을 설정한다. 주 : AOM 드라이버의 최대 RF 전력은 열 렌즈 효과의 영향을 줄이기 위해, 포화 전력의 80 %로 제한해야한다. </li><li> 카메라에서 MOT 및 ODT의 흡수 이미지를 획득. 참고 : 자신의 흡수 영상을 통해 MOT 및 ODT의 중복을 확인하십시오. 도 7b는 각각 MOT 및 ODT의 전형적인 흡수 이미지를 나타낸다. </li></ol></li><li> 바이어스 자기장과 스핀 혼합 RF 필드 주 : 상호 페르미 기체를 생성하기 위해 수직 방향으로 바이어스 자계가 조정 S 파의 산란 길이에인가된다. <ol><li> 실험 타이밍 프로그램의 H 브리지를 설정되도록 헬름홀츠을 방지 헬름홀츠의 자기장 구성 변경. 참고 : 투구홀츠 코일 자간 상호 작용을 조정하기위한 바이어스 자계를 발생시킨다. </li><li> 채널 (2)과 자석 제어 프로그램의 채널 3 527.3 G 330 G에 바이어스 자기장을 설정한다. </li><li> MOT 끈 후 330 G 0 G에서 자계 스윕 실험 타이밍 시퀀스 프로그램. 참고 :이 자기장 스윕 표준 증발 냉각을위한 약하게 상호 작용하는 6 리 페르미 가스를 준비합니다. </li><li> 비 간섭 페르미 기체 14 527 G 330 G에서 자계 스윕 프로그램. 참고 : 6.2.1-6.2.4에서 자기장 순서. 도 1에 도시 한 타이밍은 표 1에 열거된다. </li><li> 6 개의 리튬의 미세 낮은 상태 2 S 1/2 50:50 혼합물 (F = 1, m의 F = ± 2분의 1)를 생성하기 위해 노이즈 RF 펄스를인가. </li><li> 원자의 공진 튜닝 록 레이저 주파수527.3 G는 RF 신호의 출력 주파수를 변화시켜 (낮은 자장에서 2/2 P 3/2 → 2/2 트랜지션 1/2 S (F = 1, m = -1/2의 F)에 대응) 발전기. 주 : 공진 주파수의 주파수 조정을 유도하는 데 사용되는 흡수 촬상의 원자 수를 최대화한다. 만 스핀 다운 원자는 50:50 스핀 혼합물 실험에 사용되기 때문에 원자 구름을 제시 군데 있습니다. </li></ol></li><li> 절감 트랩에 의해 증발 냉각 참고 : 표준 증발 냉각이 타락한 정권 근처에 6 리튬의 fermionic 원자를 냉각하는 데 사용됩니다. 증발 냉각의 첫 번째 단계는 파이버 레이저의 펄스에 의해 제어되고, 상기 제는 ODT AOM에 의해 제어된다. 근거리 축퇴 페르미 가스 파라 냉각 용 시료로한다. <ol><li> 증발 냉각 지혜의 첫 단계를 시작합니다H 다시 0.1 U 0, U 0 ODT의 트랩 깊이를 증가 파이버 레이저 파워, 펄스에 의해 제어 소프트웨어 (U 0 100 W의 레이저 파워와 전체 트랩 깊이). 이 단계의 총 시간은 0.5 초이다. 주 : 펄스 폭은 U 0에 대응하는 열 렌즈 효과의 영향을 피하기 위해 0.5 초에 한정되어야한다. </li><li> 프로그램 지수 곡선과 ODT AOM은도 1에 도시 된 바와 같이. 증발 냉각의 첫번째 단계를 완료 한 후, 30 밀리 초를 기다린 다음에 ODT AOM 통해 U 0 0.01 0 0.1 U 트랩 깊이를 낮춤으로써 증발 냉각의 두번째 단계를 시작한다. 이 단계의 총 시간은 1.5 초이다. </li><li> 증발 냉각시킨 후 차가운 원자 흡수 영상 획득. 주 : 약 105 원자 증발 냉각 후에 ODT 남아있다로부터 계산 될 수있다흡수 이미지. </li></ol></li></ol> 7. 파라 냉각 <ol><li> 트랩 깊이 변조 <ol><li> 527.3 G. 변조 U (t의 m) = 0.01 U 0으로 ODT AOM과 트랩 깊이 자기 스윕 후 100 밀리 초를 기다린 δ은 변조 깊이와 ω (1 + δ COS (ω의 m의 t의 m))이고 m은 변조 주파수이다. 파라 변조 AFG 제어 프로그램의 변조 시간 t의 m을 설정한다. 변조시의 시퀀스는도 1에 도시되어있다. 참고 :이 매개 변수 냉각을 구현하는 중요한 단계이다. </li><li> 갑자기 트래핑 빔을 해제하여 ODT에서 원자를 분리합니다 APG을 프로그래밍합니다. 가스가 탄도 흡수 이미지를 적용하기 전에 300 μS에 대한 확장하자. 참고 : 탄도 확장은 템피를 얻을 수 TOF 흡수 영상과 함께 사용차가운 원자의 rature. </li><li> 파라 냉각 후 냉 원자 흡수 화상을 취득. </li></ol></li><li> 시간 의존성 측정 주 : 우리의 이전 연구 7에서, 우리는 파라 냉각의 최적화 된 주파수 ω X가 0.01 U 0 ODT의 반경 포착 주파수 ω 1.45 X 될 것을 알았다. 이 주파수를 사용하여, 선택적으로 축 방향을 따라 고 에너지의 원자를 제거 할 수있다. <ol><li> 파라 변조 AFG 제어 프로그램을 통해 = 0.5 Δ하는 변조도를 설정한다. </li><li> 변조주기의 수를 변화시켜 0 600 MS로부터 변조 시간을 변경하는 파라미터 변조 AFG의 외부 트리거 제어 기능을 사용한다. 주 : 변조 시간의 증가에 의해, 구름 원의 크기는, 특히 축 방향으로 감소한다. 관련 결과를도 9에 나타낸다. </lI&gt; <li> 카메라에서 영상 프레임을 취득. 저장하고 CCD 제어 프로그램을 통해 이미지를 분석 할 수 있습니다. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose. Specific product and company citations are for the purpose of clarification only and are not an endorsement by the authors.

우리는 크로스 빔 광 트랩 비 간섭 페르미 가스 파라 냉각 실험 프로토콜을 제시한다. 이 프로토콜의 중요한 단계를 포함한다 : 첫째로, 광학 포획 페르미 기체가 트랩 깊이를 낮추어 축퇴 온도 근처로 냉각 될 필요가있다. 둘째, 변조 주파수가 포착 전위의 부조화 성분과 공진하다 선택된다. 셋째, 트래핑 빔의 강도는 원자 구름을 냉각하고, 변조시에 구름 에너지 의존성을 측정하기 위해 변조된다. 트랩 화 방식에 비해 파라 냉각 방식 트랩 깊이를 저하시키지 않고, 광 트랩에서 고 에너지 원자를 제거하는 선택적인 방법을 제공한다. 그것은 위상 밀도를 증가 및 비 간섭 페르미 가스를 냉각하는 데 도움이됩니다. 이러한 파라미터는 보통 냉각 이방성이기 때문에, 양자는 가스 온도 이방성을 변경하는 편리한 방법을 제공한다에스. 파라 냉각을 가능하게하기 위해, 현재 프로토콜을 출발점으로 축퇴 온도에 가까운 페르미 기체를 필요로한다. 냉각 효과는 상기 트래핑 전위의 축 방향으로 제한된다. 이 두 제한 사항은 현재의 프로토콜 가우시안 레이저 빔에 의해 제조 된 크로스 빔 ODT의 유한 anharmonicity 의해 야기된다. 다른 원자 종에 대해이 방법을 확장하고 더 큰 온도 범위에 적용하기 위해, 우리는 트래핑 잠재력의 anharmonicity을 증가해야합니다. 우리는이 냉각 기술에 대한 두 가지 개선 사항을 제안한다. 우선, 파라 냉각은 직접없이 축퇴 체제로 열 상태에서 포획 원자를 냉각 할 수있는 잠재력을 갖고 상자 트랩 (15) 또는 전력 법칙 트랩 (16), 모든 세 방향에서 큰 anharmonicity 함께 포착 전위로 구현 될 수있다 트랩에 광을 저하 필요모든. 둘째, 주기적 AOM (17)을 통해 광 트래핑 전위를 흔들어, 우리는 18 Floquet 방법을 사용하여 큰 anharmonicity 부착 광 트랩을 합성 할 수있다.

지난 20 년 동안, 다양한 냉각 기술 보스 - 아인슈타인 응축 (BEC)을 생성하기 위해 개발 된 뜨거운 증기 원자 1, 2, 3, 4, 5에서 페르미 가스 (DFG)를 퇴화. BEC 및 DFG 훨씬 일반적으로 지구 또는 공간에서 발견 이하 극저온 존재 물질의 새로운 상을, 절대 영도 온도보다 높은 정도의 통상 백만이다. 낮은 온도를 얻기 위해, 대부분의 냉각 방법은 증발로 원자를 냉각 할 수있는 트래핑 가능성을 낮추는에 의존하고 있습니다. 그러나 낮추는 방식은 가스 양자 체제 (6)에 도달 할 때 냉각 효율을 제한하는 원자의 충돌 속도를 감소시킨다. 이 글에서, 우리는 증발로하지 않고 ODT에서 초저온 페르미 가스를 냉각하는 &quot;추방&quot;방법을 제시한다트랩 깊이 저하. 이 방법은 파라미터를 낮추는 방식 7, 8, 9에 비해 여러 가지 장점을 보여주는,도 7의 냉각 최근의 연구에 기초한다. 파라 메트릭 기법의 핵심 아이디어는 트래핑 잠재력의 가장자리 근처의 뜨거운 원자는 중심에있는 차가운 원자보다 낮은 트래핑 주파수를 느끼게 크로스 빔 ODT의 anharmonicity을 사용하는 것이다. 이 anharmonicity은 고 에너지 원자 공진 주파수에서 포착 전위를 변조 할 때 뜨거워 원자가 선택적으로 트랩으로부터 배출 될 수있다. 파라 냉각 실험 프로토콜 축퇴 온도 근처에서 미리 냉각 비 간섭 페르미 기체를 필요로한다. 이 프로토콜을 구현하기 위해, 음향 광학 변조기 (AOM)은 controllin 의해 트래핑 빔의 강도를 변조하는데 사용g 변조 주파수, 깊이 및 시간. 냉각 효과를 확인하기 위해, 원자 구름은 공진 레이저 광은 전하 결합 소자 (CCD) 카메라에 포착되는 원자 구름과 흡수 그림자를 조명 비행 시간 (TOF)의 흡수 촬상 의해 프로빙된다. 예컨대 원자 번호, 에너지, 및 온도와 같은 구름 특성은, 열 밀도에 의해 결정된다. 냉각 효과를 특성화하기 위해, 우리는 다양한 변조 시간에 구름 에너지의 의존도를 측정한다.

<table><tbody><tr><td>500 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>TA Pro</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>35 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>DL-100</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>671 nm AOM</td><td>Isomet</td><td>1206C</td><td>Quantity: 3</td></tr><tr><td>671 nm AOM Driver</td><td>Isomet</td><td>630C-110</td><td>Quantity: 3</td></tr><tr><td>100 W 1,064 nm CW laser</td><td>IPG photonics</td><td>YLR-100-1064-LP</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>1,064 nm AOM</td><td>IntraAction</td><td>ATM-804DA6B&amp;nbsp;</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>1,064 nm AOM Driver</td><td>IntraAction</td><td>ME-805EH&amp;nbsp;</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Arbitrary Function Generator</td><td>Agilent&amp;nbsp;</td><td>33120A</td><td>Quantity: 3</td></tr><tr><td>Digital I/O Board</td><td>United Electronic Industries</td><td>PD2-DIO-128</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>System Design Platform</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Analog Voltage Output Device</td><td>Measurement Computing</td><td>USB-3104</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>CCD Camera</td><td>Hamamatsu</td><td>Orca R2</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Arbitrary Pulse Generator</td><td>Quantum Composer</td><td>9618+</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Analog Voltage Output Device</td><td>Measurement Computing</td><td>USB-3104</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>20 A power supply</td><td></td><td></td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>10 A power supply</td><td></td><td></td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>120 A power supply</td><td></td><td></td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Cooling Fans</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>671 nm Mirrors</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>671 nm Half-wave Plate</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>671 nm Quarter-wave Plate</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>500 mW Beam Shutter</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>671 nm Lenses</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>Faraday Isolator</td><td></td><td></td><td>Quantity: 2, one for each ECDL</td></tr><tr><td>671 nm Polarizing Beam Splitter</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>Photodetector</td><td>Thorlabs</td><td>SM05PD1A</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Multiplexer&amp;nbsp;</td><td>Analog Devices</td><td>ADG409</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Multiplexer&amp;nbsp;</td><td>Analog Devices</td><td>ADG408</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>1,064 nm plano-concave lens</td><td></td><td></td><td>Quantity: 1 for beam reducer</td></tr><tr><td>1,064 nm plano-convex lens</td><td></td><td></td><td>Quantity: 1 for beam reducer</td></tr><tr><td>1,064 nm Mirrors</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>1,064 nm Half-wave Plates</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>1,064 nm Lenses</td><td></td><td></td><td>Quantity: depends on apparatus design</td></tr><tr><td>1,064 nm Thin Film Polarizer</td><td></td><td></td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>100 W, 1,064 nm Beam Dump</td><td></td><td></td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>100 W, 1,064 nm Power Meter</td><td></td><td></td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>RF Function Generator</td><td>Rigol</td><td>DG4162</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>RF Power Amplifier</td><td>Mini-Circuits</td><td>ZHL-100W-GAN+</td><td>Quantity: 1</td></tr></tbody></table>

cooling an optically trapped ultracold fermi gas by periodical driving

We present a cooling method for a cold Fermi gas by parametrically driving atomic motions in a crossed-beam optical dipole trap (ODT). Our method employs the anharmonicity of the ODT, in which the hotter atoms at the edge of the trap feel the anharmonic components of the trapping potential, while the colder atoms in the center of the trap feel the harmonic one. By modulating the trap depth with frequencies that are resonant with the anharmonic components, we selectively excite the hotter atoms out of the trap while keeping the colder atoms in the trap, generating parametric cooling. This experimental protocol starts with a magneto-optical trap (MOT) that is loaded by a Zeeman slower. The precooled atoms in the MOT are then transferred to an ODT, and a bias magnetic field is applied to create an interacting Fermi gas. We then lower the trapping potential to prepare a cold Fermi gas near the degenerate temperature. After that, we sweep the magnetic field to the noninteracting regime of the Fermi gas, in which the parametric cooling can be manifested by modulating the intensity of the optical trapping beams. We find that the parametric cooling effect strongly depends on the modulation frequencies and amplitudes. With the optimized frequency and amplitude, we measure the dependence of the cloud energy on the modulation time. We observe that the cloud energy is changed in an anisotropic way, where the energy of the axial direction is significantly reduced by parametric driving. The cooling effect is limited to the axial direction because the dominant anharmonicity of the crossed-beam ODT is along the axial direction. Finally, we propose to extend this protocol for the trapping potentials of large anharmonicity in all directions, which provides a promising scheme for cooling quantum gases using external driving.

이 프로토콜을 사용하여, 우리는 우리의 이전에 게시 7 결정된 둘 다 최적화 된 변조 주파수 및 진폭과 변조 시간에 파라 메트릭 냉각의 의존성을 연구한다. 먼저 T / T F ≈ 1.2 온도 개의 미세 낮은 상태에서 리튬 6 개 원자의 비 간섭 페르미 기체를 준비한다. 여기서, T F = (6N) 1/3 H ω / K B = 5.2 μK은 원자 번호 N = 회전 당 1.7 × 10 5 기하 평균 포착 주파수 ω = (ω X ω Y ω z) 1 판정 / 3 = 2π × (2250 × 2450 × 220)의 1/3 ㎐, H 환원 플랑크 상수이고, k 개의 B는 볼츠만 상수이다. 시간-종속 결과 1.45ω X의 변조 주파수 및 0.5의 변조 깊이를도 9에 나타낸다. 원자 구름 (도 9a)의 TOF 흡수 화상 지속적 파라 냉각에 의해 감소되는 절대 온도를 나타내는 변조 시간의 증가와 함께 축 클라우드 크기의 상당한 감소를 나타낸다. 정량적으로 냉각 효과를 설명하기 위해, 우리는 E를 사용하여 (X, Z) / E F E F는 페르미 에너지, E (X, Z)는 극저온 페르미 가스 (7)를위한 효과적인 체온계 같은 반경의 원자 구름 에너지는 각각 및 축 방향. 우리는 먼저 원자 구름에서 수 독립적 평균 제곱 크기 (NIMS)를 추출합니다. 이어서 NIMS부터는도 9 (X, Z) / E F E를 계산할나. 약 500 밀리 변조 한 후, E의 Z / E F는 0.90에서 1.80로 크게 감소되고 X E / E F 약간 1.25 1.20 약간 증가한다. 도 9b의 인셋의 감소 원자 번호는 원자가 트랩 밖으로 배출된다 나타낸다. 우리는 파라 냉각 반경 하나 페르미 에너지 위에있는 동안 축 방향의 에너지는 페르미 에너지 아래 인 이방성 방식에서 원자 구름 에너지 변화 찾기. 축 방향 및 반경 방향으로 (도 9b)의 초기 에너지가 불균등 6.3인가 저하 고속 트랩에 의해 생성되는 것을 알 수있다. 방사상 에너지가 거의 변화하면서 파라 냉각시킨 후, 축 방향의 에너지는 크게 줄어든다. 이 결과는 파라 냉각 에너지 이방성 클라우드를 변경하는 방식을 나타낸다. 이 이방성 효과는 사실로 인해입니다 그교차 빔 ODT 지배적 anharmonicity 축 방향을 따라 7이다. 이러한 열역학적 이방성 샘플은 상호 액션 바디 양자 시스템 thermalization 공정을 연구 할 수있다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig1.jpg" /> 그림 1 : 초고 진공 시스템. IUPUI에서 초저온 원자 장치의 진공 챔버. 오븐 (1), (2) 제만 느린 3 자석 코일 4. 실험 챔버 및 5 CCD 카메라. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55409/55409fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig2.jpg" /> 도 2 : 파라 냉각 시퀀스 타이밍. 흑색 커브는 광섬유 레이저 출력 타이밍이다. 적색 곡선 하나 O이고F ODT AOM 타이밍. 시안 커브는 자계를 나타낸다. 주황색 곡선은 TOF 촬상 펄스이다. 횡축은 각 단계의 시간 단위를 나타낸다. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55409/55409fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig3.jpg" /> 도 3 : 6 리튬 원자 레벨 및 스펙트럼 잠금 레이저 주파수. a)는 MOT의 냉각 repumping 빔 6 리튬 전이 D 2. b) 노란색 곡선은 6 리 D 2 라인의 도플러없는 포화 흡수 스펙트럼이고, 적색 곡선 관련 로크 오차 신호이다. 왼쪽 피크는 2 P 3/2 전이 → 2 (2) 1/2 S (F = 3/2)이고, 오른쪽에 하나가 22/2 P 3/2 전환 및 한가운데 하나 → 2 S 2 (F = 1)은 두 개의 전이 교차 신호이다. 대시 크로스 잠금 지점입니다. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55409/55409fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig4.jpg" /> 도 4 : 6 리튬 오븐. 각 분류 부분은 출력 레인지 필요한 원자 플럭스 온도 제어식 가열 코일을 포함한다. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55409/55409fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig5.jpg" /> Figu<html> 5 재 : 제만 느린. 크로스 오버 코일은 느리게 제만의 마지막 부분입니다. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55409/55409fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig6.jpg" /> 도 6 : MOT 광학 배열. MOT 발생 둔화 레이저 광선 용 광학 설치. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55409/55409fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig7.jpg" /> 도 7 : MOT 및 ODT 흡수 이미지. 위상을 펌핑 한 후) MOT 이미지. b) 중첩 MOT 및 ODT 이미지._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg &quot;target =&quot;_ blank &quot;&gt; 검색이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 8" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig8.jpg" /> 그림 8 : 크로스 빔 ODT 광학 레이아웃. ODT에서의 교차 각이 12 °가 2θ =이다. AFG 레이저의 펄스를 제어하는 ​​파이버 레이저는 ODT AFG 곡선 저하 트랩을 제어하고, 변조 파라미터 AFG 레이저 강도 변조를 제어한다. 두 빔의 빔 허리는 약 37 μm의 것이다. 첫 번째 빔의 편광이 수직이고, 제 2 빔의 편광은 수평이다. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55409/55409fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 9" src="/files/ftp_upload/55409/55409fig9.jpg" /> 그림 9 : 시간파라 냉각 의존성 측정. a) 다양한 변조 시간의 원자 구름의 흡수 이미지. E (X, Z)의 b) 의존성 / 변조시에 E F (청색 원 E Z / E F 용이며 적색 사각형 X E / E F)의 경우이다. 삽입 된 그림은 변조 시간에 대한 원자 수이다. 오차 막대는 하나의 표준 편차를 나타냅니다. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55409/55409fig9large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> MOT 로딩에 </td><td> 시작점 </td></tr><tr><td> MOT의 로딩 시간 </td><td> 10 초 </td></tr><tr><td> MOT는 냉각에 </td><td> MOT로드 해제 </td></tr><tr><td> MOT 냉각 시간 </td><td> 5 MS </td></tr><tr><td> MOT는에 펌핑 </td><td> MOT를 냉각 </td></tr><tr><td> MOT 펌핑 시간 </td><td> 100 μS </td></tr><tr><td> 오프 MOT의 AOM </td><td> MOT 오프 (MOT 펌핑 오프와 동일) </td></tr><tr><td> 에 제만 느린 빔 셔터 </td><td> 오프 MOT 로딩 전에 200 밀리 초 </td></tr><tr><td> MOT 빔에 셔터 </td><td> MOT의 해제 </td></tr><tr><td> 시작 시간을 냉각 파이버 레이저 증발 </td><td> 14 MS MOT 로딩이 끝나기 전에 </td></tr><tr><td> ODT 시작 시간을 냉각 증발 </td><td> MOT의 오프 후 500 밀리 초 </td></tr><tr><td> H 브리지 전환 시간 </td><td> MOT의 해제 </td></tr><tr><td> 자장 소인 시작 시간 (0 내지 330 G) </td><td> MOT의 해제 </td></tr><tr><td> 자기장 청소 시작 시간 (330 527.3G에) </td><td> MOT의 오프 이후 2000 MS </td></tr><tr><td> 파라 메트릭 냉각 시작 시간 </td><td> MOT의 오프 이후 2500 MS </tD&gt; </tr><tr><td> 이미징 펄스 트리거 시간 </td><td> MOT의 오프 이후 3200 MS </td></tr><tr><td> CCD 트리거 시간 </td><td> 촬상 펄스 트리거 시간 전에 100 μS </td></tr></tbody></table> 표 1 : 실험 타이밍 제어. 시퀀스 파라미터 타이밍 실험기구를 제어한다. 타이밍 시퀀스는 MOT 로딩, 냉각 펌프에서 시작한다. MOT의 오프 후 MOT 펌프의 시점이다. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> 채널 1 </td><td> 채널 2 </td><td> 채널 3 </td><td> 채널 4 </td><td> 채널 5 </td></tr><tr><td> 348 ° C </td><td> 354 ° C </td><td> 434 ° C </td><td> 399 ° C </td><td> 372 ° C </td></tr></tbody></table> 표 2 : 비켜N 온도 프로파일. 6 리 오븐 나열된 온도 최적 유속에서 작동한다. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> 단계 </td><td colspan="2"> 로드 </td><td colspan="2"> 냉각 </td><td colspan="2"> 펌핑 </td></tr><tr><td> 빔 </td><td> 냉각 </td><td> Repumping </td><td> 냉각 </td><td> Repumping </td><td> 냉각 </td><td> Repumping </td></tr><tr><td> 로크 전이로부터 이조 (메가 헤르츠) </td><td> -28 </td><td> -28 </td><td> -5 </td><td> -5 </td><td> -2 </td><td> 떨어져서 </td></tr><tr><td> 강도 (I는 토) </td><td> 이 </td><td> 1 </td><td> 0.1 </td><td> 0.05 </td><td> 0.08 </td><td> 떨어져서 </td></tr></tbody></table> 표 3 : MOT 단계 속성. MOT 위상 시퀀스는 차를 극대화하도록 설계원자가 전자 수가 ODT로 이송된다.

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Cooling an Optically Trapped Ultracold Fermi Gas by Periodical Driving

We present a parametric driving method to cool an ultracold Fermi gas in a crossed-beam optical dipole trap. This method selectively removes high-energy atoms from the trap by periodically modulating the trap depth with frequencies that are resonant with the anharmonic components of the trapping potential.

정기 간행물 운전하여 광학적 갇혀 초저온 페르미 가스를 냉각

We present a cooling method for a cold Fermi gas by parametrically driving atomic motions in a crossed-beam optical dipole trap (ODT). Our method employs ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

7.4K 조회수.  Indiana University–Purdue University Indianapolis (IUPUI). We present a parametric driving method to cool an ultracold Fermi gas in a crossed-beam optical dipole trap. This method selectively removes high-energy atoms from the trap by periodically modulating the trap depth with frequencies that are resonant with the anharmonic components of the trapping potential. 

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Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 T generate only a small detectable net-magnetization of the sample at room temperature 1. Hence, most NMR and MRI applications rely on the detection of molecules at relative high concentration (e.g., water for imaging of biological tissue) or require excessive acquisition times. This limits our ability to exploit the very useful molecular specificity of NMR signals for many biochemical and medical applications. However, novel approaches have emerged in the past few years: Manipulation of the detected spin species prior to detection inside the NMR/MRI magnet can dramatically increase the magnetization and therefore allows detection of molecules at much lower concentration 2.
Here, we present a method for polarization of a xenon gas mixture (2-5% Xe, 10% N2, He balance) in a compact setup with a ca. 16000-fold signal enhancement. Modern line-narrowed diode lasers allow efficient polarization 7 and immediate use of gas mixture even if the noble gas is not separated from the other components. The SEOP apparatus is explained and determination of the achieved spin polarization is demonstrated for performance control of the method.
The hyperpolarized gas can be used for void space imaging, including gas flow imaging or diffusion studies at the interfaces with other materials 8,9. Moreover, the Xe NMR signal is extremely sensitive to its molecular environment 6. This enables the option to use it as an NMR/MRI contrast agent when dissolved in aqueous solution with functionalized molecular hosts that temporarily trap the gas 10,11. Direct detection and high-sensitivity indirect detection of such constructs is demonstrated in both spectroscopic and imaging mode.

The production of hyperpolarized xenon by means of spin exchange optical pumping (SEOP) is described. This method yields a ~10000-fold enhancement of the nuclear spin polarization of Xe-129 and has applications in nuclear magnetic resonance spectroscopy and imaging. Examples of gas phase and solution state experiments are given.

NMR과 MRI 응용 프로그램 용 Hyperpolarized 지논

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 ...

연구

공학

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

나노 입자의 광학 트래핑

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Gradient echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. The primary motivation for such a technology is that quantum key distribution (QKD), which uses Heisenberg uncertainty to guarantee security of cryptographic keys, is limited in transmission distance. The development of a quantum repeater is a possible path to extend QKD range, but a repeater will need a quantum memory. In our experiments we use a gas of rubidium 87 vapor that is contained in a warm gas cell. This makes the scheme particularly simple. It is also a highly versatile scheme that enables in-memory refinement of the stored state, such as frequency shifting and bandwidth manipulation. The basis of the GEM protocol is to absorb the light into an ensemble of atoms that has been prepared in a magnetic field gradient. The reversal of this gradient leads to rephasing of the atomic polarization and thus recall of the stored optical state. We will outline how we prepare the atoms and this gradient and also describe some of the pitfalls that need to be avoided, in particular four-wave mixing, which can give rise to optical gain.

The gradient echo memory is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. Quantum memory is a key element of a quantum repeater, which can extend the range of quantum key distribution. We outline the operation of the scheme when implemented in a 3-level atomic ensemble.

온난 한 원자 증기의 그라데이션 에코 양자 메모리

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

나노 광학 컨베이어 벨트의 제작 및 운영

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb explosion imaging setup in which a hitherto-impractical camera angle is realized. In our imaging technique, diatomic molecules are irradiated with a circularly polarized strong laser pulse. The ejected atomic ions are accelerated perpendicularly to the laser propagation. The ions lying in the laser polarization plane are selected through the use of a mechanical slit and imaged with a high-throughput, 2-dimensional detector installed parallel to the polarization plane. Because a circularly polarized (isotropic) Coulomb exploding pulse is used, the observed angular distribution of the ejected ions directly corresponds to the squared rotational wave function at the time of the pulse irradiation. To create a real-time movie of molecular rotation, the present imaging technique is combined with a femtosecond pump-probe optical setup in which the pump pulses create unidirectionally rotating molecular ensembles. Due to the high image throughput of our detection system, the pump-probe experimental condition can be easily optimized by monitoring a real-time snapshot. As a result, the quality of the observed movie is sufficiently high for visualizing the detailed wave nature of motion. We also note that the present technique can be implemented in existing standard ion imaging setups, offering a new camera angle or viewpoint for the molecular systems without the need for extensive modification.

We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.

레이저 기반 초고속 분자 회전의 직접 이미징

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

화학

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

공기에서 유전체 미세 입자의 광학 트랩로드

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due to their long coherence time and their capability to manipulate and detect individual quantum bits (qubits). In more recent years, microfabricated surface ion traps have received more attention for large-scale integrated qubit platforms. This paper presents a microfabrication methodology for ion traps using micro-electro-mechanical system (MEMS) technology, including the fabrication method for a 14 &#181;m-thick dielectric layer and metal overhang structures atop the dielectric layer. In addition, an experimental procedure for trapping ytterbium (Yb) ions of isotope 174 (174Yb+) using 369.5 nm, 399 nm, and 935 nm diode lasers is described. These methodologies and procedures involve many scientific and engineering disciplines, and this paper first presents the detailed experimental procedures. The methods discussed in this paper can easily be extended to the trapping of Yb ions of isotope 171 (171Yb+) and to the manipulation of qubits.

This paper presents a microfabrication methodology for surface ion traps, as well as a detailed experimental procedure for trapping ytterbium ions in a room-temperature environment.

﹙을 사용 하 여 이온을 트래핑에 대 한 실험 방법 표면 이온 트랩

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using 25Mg+ Fluorescence

Accurate control of the polarization states of laser light is important in precision measurement experiments. In experiments involving the use of a vacuum environment, the stress-induced birefringence effect of the vacuum windows will affect the polarization states of laser light inside the vacuum system, and it is very difficult to measure and optimize the polarization states of the laser light in situ. The purpose of this protocol is to demonstrate how to optimize the polarization states of the laser light based on the fluorescence of ions in the vacuum system, and how to calculate the birefringence of vacuum windows based on azimuthal angles of external wave plates with Mueller matrix. The fluorescence of 25Mg+ ions induced by laser light that is resonant with the transition of |32P3/2,F = 4, mF&#160;= 4<img align="center" alt="Equation 100" src="/files/ftp_upload/61175/61175img1.jpg" style="color: rgb(68, 0, 68); font-size: 18px; font-weight: 700;" />&#160;&#8594;&#160;|32S1/2,F = 3, mF&#160;= 3<img align="center" alt="Equation 100" src="/files/ftp_upload/61175/61175img1.jpg" style="color: rgb(68, 0, 68); font-size: 18px; font-weight: 700;" />&#160;is sensitive to the polarization state of the laser light, and maximum fluorescence will be observed with pure circularly polarized light. A combination of half-wave plate (HWP) and quarter-wave plate (QWP) can achieve arbitrary phase retardation and is used for compensating the birefringence of the vacuum window. In this experiment, the polarization state of the laser light is optimized based on the fluorescence of 25Mg+ ion with a pair of HWP and QWP outside the vacuum chamber. By adjusting the azimuthal angles of the HWP and QWP to obtain maximum ion fluorescence, one can obtain a pure circularly polarized light inside the vacuum chamber. With the information on the azimuthal angles of the external HWP and QWP, the birefringence of the vacuum window can be determined.

In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using 25Mg+ Fluorescence

Presented here is a method to measure the birefringence of vacuum windows by maximizing the fluorescence counts emitted by Doppler cooled 25Mg+ ions in an ion trap. The birefringence of vacuum windows will change the polarization states of the laser, which can be compensated by changing the azimuthal angles of external wave plates.

25Mg+ 형광을 사용하여 진공 창 비류의 현장 측정

Accurate control of the polarization states of laser light is important in precision measurement experiments. In experiments involving the use of a vacuum ...