レーザー冷却
レーザー冷却されたリチウム原子の写真。明るい塊は、数百マイクロケルビンまでレーザー冷却するために使用された671nmの光を散乱させた約70億個のリチウム原子に対応しています。雲の大きさは約5mmです。手前には、リチウムが補助光学系と共に閉じ込められている真空システムの窓が見えます。その後、リチウム原子は蒸発冷却され、ボーズ・アインシュタイン凝縮体を形成します。
レーザー冷却されたリチウム原子がゼーマン減速器から磁気光学トラップにロードされる

レーザー冷却には、原子、分子、そして小型機械システムをレーザー光で冷却する様々な技術が含まれます。レーザーの指向性エネルギーは、レーザー切断など、材料の加熱と関連付けられることが多いため、レーザー冷却によって試料の温度が絶対零度に近づくことは直感に反するかもしれません。レーザー冷却は、レーザー冷却された原子を操作・測定する原子物理学実験や、原子ベースの量子コンピューティングアーキテクチャなどの技術において日常的に使用されています。

レーザー冷却は、粒子のランダムな運動や機械システムのランダムな振動を低減します。原子や分子の場合、分光法におけるドップラーシフトを低減することで、高精度な測定や光時計などの機器の実現が可能になります。また、熱エネルギーの低減により、原子や分子をトラップに効率的に収容し、実験や原子ベースのデバイスで長期間使用することが可能になります。

レーザー冷却は、原子などの物体が光子（光の粒子）を吸収して再放射するときの運動量の変化を利用します。原子は、その周波数が原子のレーザー冷却遷移より低い、互いに反対方向に伝播するレーザー ビームのペアで照射されると、一次元的に冷却されます。ドップラー効果により、原子の運動に対して反対方向に伝播するレーザー ビームからレーザー光が優先的に吸収されます。吸収された光は、原子によってランダムな方向に再放射されます。このプロセスが繰り返されると、レーザー冷却軸に沿った原子のランダムな運動が減少します。3 つの軸すべてに沿って 3 対の反対方向に伝播するレーザー ビームを使用すると、温かい原子雲が 3 次元的に冷却されます。原子雲の速度分布の減少により、原子雲はよりゆっくりと膨張します。これは温度の低下、つまり原子の冷たさに相当します。粒子の集団の場合、その熱力学的温度は速度の変動に比例するため、速度の分布が低いほど、粒子の温度は低くなります。

歴史

放射圧

太陽からの放射圧によって、ガス／イオンと塵は彗星の核から2つの異なる尾へと押し出されます。軽いガス粒子は太陽からまっすぐに噴出され、重い塵粒子は曲線を描いて飛び出します。

放射圧は、電磁放射が物質に及ぼす力です。1873年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは電磁気学の論文を発表し、その中で放射圧を予測しました。[ 1 ]この力はピョートル・レベデフによって初めて実験的に実証され、1900年のパリ万国博覧会の期間中に開催された国際物理学会議で報告され、 [ 2 ]その後、1901年にさらに詳しく出版されました。[ 3 ]レベデフの測定に続いて、アーネスト・フォックス・ニコルズとゴードン・フェリー・ハルも1901年に放射圧の力を実証し、[ 4 ] 1903年に改良された測定結果を報告しました。[ 5 ] [ 6 ]スヴァンテ・アレニウス（1900年）とピーター・デバイ（1908年）は、彗星のガスの尾が太陽から遠ざかるのは放射圧によるものだと特定しました。[ 7 ]

原子や分子の状態は、光が状態間の遷移を引き起こすことで変化します。光の周波数が原子または分子の遷移周波数に近い場合、遷移は強く引き起こされます。ナトリウムは歴史的に注目すべき原子です。589 nmという波長は人間の目の感度のピークに近いため、強い遷移を示すからです。この波長により、光とナトリウム原子の相互作用を比較的容易に観察できました。1933年、オットー・フリッシュはナトリウム原子の原子ビームを光で偏向させました。[ 8 ] これは、原子または分子に作用する放射圧が初めて実現された例です。

レーザー冷却の提案

原子物理学実験へのレーザーの導入は、1970年代半ばのレーザー冷却提案の先駆けとなった。レーザー冷却は1975年に2つの異なる研究グループ、テオドール・W・ヘンシュとアーサー・レオナルド・ショーロー[ 9 ]、およびデイヴィッド・J・ワインランドとハンス・ゲオルク・デーメルト[ 10 ]によって別々に提案された。どちらの提案もドップラー冷却として知られる最も単純なレーザー冷却プロセスを概説しており、原子の共鳴周波数より低い周波数に調整されたレーザー光は、レーザーに向かって移動する原子によって優先的に吸収され、吸収後に光子がランダムな方向に放出される。このプロセスは何度も繰り返され、レーザー冷却光が逆伝播する構成では、原子の速度分布が減少する。[ 11 ]

1977年、アーサー・アシュキンは、ドップラー冷却を用いて原子を光トラップに導入するために必要な減衰を与える方法について論文を提出した。[ 12 ]この論文で彼は、原子を所定の位置に保持することで、より長い分光測定が可能になり、精度が向上することを強調した。また、異なる原子間の相互作用を研究するための重なり合う光トラップについても論じた。

最初のレーザー冷却結果

レーザー冷却の提案を受けて、1978年に2つの研究グループ、すなわちアメリカ国立標準技術研究所（NIST）のワインランド、ロバート・ドゥルリンガー、フレッド・ウォールズらの研究グループと、ワシントン大学のヴェルナー・ノイハウザー、マーティン・ホーエンシュタット、ピーター・E・トシェック、デーメルトらの研究グループが、レーザーによる原子冷却に成功しました。NISTグループは、ドップラー広がりが分光法に及ぼす影響を低減するために、原子をレーザー冷却することに着目しました。彼らはペニングトラップ内でマグネシウムイオンを40K以下に冷却しました。ワシントングループはバリウムイオンを冷却しました。

ロシアでは、モスクワのロシア科学アカデミー分光学研究所のヴィクトル・バリキン、ウラジレン・レトホフ、ウラジミール・ミノギンが1981年に中性原子のレーザー冷却を実証する最初の実験を実現しました。[ 13 ]それとは別に、レトホフは原子を減速させるための周波数チャープも開発しましたが、それを適用することはできませんでした。[ 13 ]

ワインランドのイオンレーザー冷却研究に影響を受け、ウィリアム・ダニエル・フィリップスは中性原子のレーザー冷却に成功しました。1982年、彼は中性原子のレーザー冷却に関する論文を発表しました。[ 14 ]このプロセスは現在ゼーマン減速器として知られており、原子ビームの減速に標準的な手法となっています。1985年、彼らはデビッド・E・プリチャードが考案した磁気光学トラップを用いて実験を改良しました。[ 15 ]

1985年、 NISTのジョン・L・ホールは周波数チャープ技術を用いて原子を完全に停止させることに成功した。[ 13 ]

光学的糖蜜と原子の泉

1985年、ベル研究所のスティーブン・チュー、アシュキン、JEビョルクホルムは、前周波数チャープ冷却レーザーを使用してヘンシュとショーローのドップラー冷却の提案を実現しようと試み、後に原子は6つのペアワイズレーザービームにドリフトしました。[ 15 ]原子の動きは、彼らが光糖蜜と呼んだ粘性媒体として説明されました。[ 15 ]彼らは、温度が約0.24 mKで寿命が0.1秒であると判断しました。[ 15 ] 1987年、プリチャードとチューは、ジャン・ダリバードが提案したより優れた磁気光トラップを、3つの反対方向に伝播するレーザー、円偏光、弱い磁場を使用して開発しました。[ 15 ]

ジェロルド・R・ザカリアスとヘンシュの提案に基づき、チューは分光測定用の原子泉を開発した。 [ 15 ]ノーマン・ラムゼイ・ジュニアのアイデアを用い、2つのマイクロ波パルスを連続して照射することで原子を共鳴励起した。この技術により、高精度の原子時計が実現可能となった。[ 15 ]

サブドップラー冷却とサブ反動冷却

1988年、NISTのフィリップスは、光の糖蜜が理論的にドップラー限界で予測される温度をはるかに下回る40マイクロケルビンに達することを発見し、この現象を彼らはシシュポス冷却と名付けました。[ 15 ]この限界違反は、スタンフォード大学のチューと、パリのエコール・ノルマル・シュペリウールのクロード・コーエン・タヌージとダリバードによって確認され、彼らはこの現象を偏光勾配冷却の観点から説明しました。[ 15 ] 1989年、フィリップスはエコール・ノルマルでこの現象を説明するさらなる実験に協力しました。[ 15 ]このドップラー以下の冷却は、反跳温度によって制限されます。[ 15 ]

1970年代、ピサ大学のエンニオ・アリモンドによる実験では、原子雲を暗黒状態に設定できることが示されました。コーエン＝タヌージ、アリモンド、アラン・アスペクトはこれを利用し、速度選択コヒーレントポピュレーショントラッピング（VSCPT）を開発しました。この技術は、1988年に1次元、1994年に2次元、1995年に3次元で初めて適用されました。[ 15 ]この技術を用いることで、彼らは1988年に1次元の反跳限界を2分の1にまで下げることに成功しました。[ 15 ]コーエン＝タヌージとアスペクトは1994年に2次元でこの原理を実証し、反跳温度限界を16分の1にまで下げることに成功しました。[ 15 ]そして最終的に1995年には、3次元実験で反跳温度限界を21分の1にまで下げることに成功しました。[ 15 ]

1997年のノーベル物理学賞は、クロード・コーエン＝タヌージ、スティーブン・チュー、ウィリアム・ダニエル・フィリップスの3人に「レーザー光で原子を冷却・捕捉する方法の開発」に対して授与された。 [ 15 ]

現代の進歩

原子

異なるイオン化状態 (赤) と固有の同位体 (青) を含む固有の原子システムの累積数と、その年ごとのレーザー冷却の推移。

電気双極子遷移のドップラー冷却限界は、通常数百マイクロケルビンです。1980年代には、この限界が達成可能な最低温度だと考えられていました。当時、ナトリウム原子のドップラー冷却限界が240マイクロケルビンであるところを43マイクロケルビンまで冷却できたことは驚きでした。[ 16 ]この予期せぬ低温は、偏光レーザー光と、より多くの原子状態や遷移との相互作用を考慮することで説明されました。レーザー冷却に関するこれまでの概念は、あまりに単純すぎると判断されました。[ 17 ] 70年代と80年代の主要なレーザー冷却のブレークスルーにより、既存技術がいくつか改良され、絶対零度よりわずかに高い温度での新しい発見がもたらされました。冷却プロセスは、原子時計の精度を高め、分光測定を改善するために利用され、極低温での新しい物質状態の観測につながりました。 [ 18 ] [ 17 ]新しい物質状態であるボーズ・アインシュタイン凝縮は、1995年にエリック・コーネル、カール・ヴィーマン、ヴォルフガング・ケッテルレによって観測されました。[ 19 ]

エキゾチック原子

ほとんどのレーザー冷却実験では、原子を実験室系内で静止状態に近づけますが、相対論的原子の冷却も達成されており、その場合、冷却効果は速度分布の狭まりとして現れます。1990年、JGUのグループは7Li +ビームを13.3 MeVの貯蔵リング[ 20 ]から260 K以下2.9 K、同じ遷移を扱う2つの反対方向に伝播するレーザーを使用するが、514.5 nmとそれぞれ584.8 nmに設定し、大きなドップラーシフトを補正します。

反物質のレーザー冷却も実証されており、2021年にALPHA共同研究グループが反水素原子について初めて実証しました。[ 21 ] 2024年には、電子と陽電子からなるポジトロニウムが約1Kまでレーザー冷却されました。[ 22 ]

分子

レーザー冷却された分子の数の増加を年ごとに示すグラフ。
直接レーザー冷却された分子。

分子は振動と回転の自由度を持つため、レーザー冷却は原子よりもはるかに困難です。これらの自由度の増加により、励起状態の崩壊によって生成できるエネルギー準位の数が増加し、より複雑な準位構造を扱うには、原子よりも多くのレーザーが必要になります。振動状態の崩壊は、生成できる振動状態を制限する対称性規則がないため、特に困難です。

2010年、デイブ・デミル率いるイェール大学のチームは二原子分子のレーザー冷却に成功した。[ 23 ] 2016年、 MPQのグループはホルムアルデヒドを420μKの光電式シシュポス冷却によって実現した。[ 24 ] 2022年にハーバード大学の研究グループがCaOHをレーザー冷却して閉じ込め、磁気光学トラップでは720(40)μKである。[ 25 ]

機械システム

2000年代以降、レーザー冷却は小型カンチレバーからLIGO観測所で使用されるミラーに至るまで、小型機械システムに適用されてきました。これらのデバイスは、フレームに取り付けられた機械膜などのより大きな基板に接続されたり、光トラップに保持されたりしますが、どちらの場合も機械システムは調和振動子です。レーザー冷却は機械振動子のランダム振動を低減し、システムから熱フォノンを除去します。

2007年、MITのチームはマクロスケール（1グラム）の物体を0.8 Kまでレーザー冷却することに成功しました。[ 26 ] 2011年には、カリフォルニア工科大学とウィーン大学のチームが、（10μm×1μm）の機械的物体を量子基底状態までレーザー冷却することに初めて成功しました。[ 27 ]

方法

レーザー冷却の最初の実現であり、原子と分子を冷却するための最も普遍的な方法（単に「レーザー冷却」と呼ばれることが多い）は、ドップラー冷却です。

ドップラー冷却

ドップラー冷却は、レーザー冷却法として最も広く普及している。低密度気体をドップラー冷却限界まで冷却するのに用いられ、原子物理学の分野でよく用いられる ルビジウムの場合、その限界は約150マイクロケルビンである。磁気光学トラップを実現するために、磁場勾配と組み合わせられることが多い。

ドップラー冷却では、まず光の周波数を原子の電子遷移よりわずかに低い周波数に調整します。光は遷移の「赤」（つまり低い周波数）に調整されているため、ドップラー効果により、原子は光源に向かって移動するとより多くの光子を吸収します。したがって、2つの反対方向から光を照射すると、原子は常に、自身の運動方向とは反対方向を向くレーザービームからより多くの光子を散乱します。各散乱において、原子は光子の運動量に等しい運動量を失います。励起状態にある原子が自発的に光子を放出すると、同じ量の運動量で蹴られますが、その方向はランダムです。初期の運動量変化は純粋な損失（運動方向と反対方向）であり、その後の変化はランダムであるため、吸収と放出のプロセスの結果、原子の運動量、ひいては速度が低下すると考えられます。ただし、初期速度が単一光子の散乱による反跳速度よりも大きいことが前提となります。吸収と放出が何度も繰り返されると、原子の平均速度、ひいては運動エネルギーが減少します。原子群の温度は、平均ランダム内部運動エネルギーの尺度であるため、これは原子を冷却することと同等です。

原子が 3 次元でドップラー冷却される場合、通常は 6 本の反対方向に伝播する赤色デチューン レーザー ビームによって冷却されますが、原子がまるで糖蜜の中を移動しているかのようにゆっくりと移動するため、 これは光糖蜜と呼ばれます。

サブドップラー冷却

ドップラー冷却の後、原子（または分子）をドップラー限界以下に冷却することがしばしば有用です。これは、様々なドップラー以下の冷却技術を用いて実現されます。原子構造によって、適用可能なドップラー以下の冷却技術は異なります。例えば、リチウムとカリウムは励起状態で未解明の超微細構造を持つため、偏光勾配冷却は適用できません。 そのため、灰色糖蜜が使用されます。

サブドップラー冷却方法には以下のものがあります:

その他の方法

その他のレーザー冷却方法には以下のものがあります。

  • 空洞媒介冷却[ 31 ]
  • 固体における反ストークス冷却
  • 光子冷却 - 直径数百ミクロンの領域をターゲットとするスポット冷却システムとして開発中である。レーザーは、主にガリウムヒ素で作られた厚さ1ミリメートル未満の板を冷却する。[ 32 ]

アプリケーション

レーザー冷却は原子物理学の分野で広く用いられています。原子のランダムな運動を抑制することには、光場や磁場で原子を捕捉する能力など、いくつかの利点があります。また、冷却された原子試料の分光測定では、熱運動による系統的不確かさも低減されます。

多くの場合、単一の実験で複数のレーザー冷却技術を使用して冷たい原子サンプルを準備し、その後、このサンプルを操作して測定します。代表的な実験では、高温のオーブンでストロンチウム原子の蒸気を発生させ、原子ビームとしてオーブンから出します。オーブンを出た後、原子は、原子ビームの発散による原子の損失を減らすために、動きを横切る 2 次元でドップラー冷却されます。次に、原子ビームはゼーマン減速機で減速および冷却され、磁気光学トラップ (MOT) への原子の読み込み効率が最適化されます。MOT は、 461 nm のレーザーで1 S 0 → 1 P 1に作用して原子をドップラー冷却します。MOT は、さらに冷たい原子を実現するために、461 nm の光の使用から 689 nm の光の使用に移行して1 S 0 → 3 P 1を駆動します。次に、原子は光双極子トラップに移され、蒸発冷却によって光格子に効果的にロードできる温度まで下げられます。

レーザー冷却は、中性原子やトラップされた原子イオンに基づく量子コンピューティングの取り組みにおいて重要です。イオントラップでは、ドップラー冷却によってイオンのランダムな動きが抑制され、トラップ内で整然とした結晶構造が形成されます。ドップラー冷却後、イオンはしばしば運動基底状態まで冷却され、イオン間の量子ゲートにおけるデコヒーレンスを低減します。

フォトニック冷却は、データセンターのチップホットスポットを冷却するために開発中です。[ 32 ]

装置

レーザー冷却原子には、組み立てると冷却原子装置を形成する科学機器が必要である。このような装置は、レーザー冷却原子を収容する真空チャンバーと、冷却、原子状態の準備と操作、および原子の検出に使用されるレーザーシステムの2つの部分で構成される。レーザー冷却分子では通常、より複雑な分子構造に対応するために、より多くのレーザーと光変調器（電気光学変調器や音響光学変調器など）が必要である。機械システムにも真空システムが必要であり、背景ガスからの減衰によりガス温度とすぐに平衡化するからである。機械システムでは通常、Nd:YAGレーザーやファイバーレーザーなど、信頼性とコヒーレンス時間に基づいて選択されたレーザーが1つだけ必要である。これは、機械デバイスが非常に広範囲の波長にわたって反射するためである。

真空システム

ルビジウム磁気光学トラップ（MOT）用の真空チャンバー。ブレッドボードの穴間隔は1インチです。左側にあるのは、原子をトラップするガラスセルです。このセルを磁場コイルの間に挿入し、6本の対向ビームで原子を照射することでMOTを実現します。

原子をレーザー冷却するためには、原子が室温の背景ガス粒子と衝突してはいけません。このような衝突は原子を劇的に加熱し、弱いトラップから叩き出します。冷却原子装置で許容できる衝突率を得るには、通常 10 −9 Torr の真空圧が必要で、多くの場合、その数百倍、あるいは数千倍低い圧力が必要になります。このような低圧を実現するには、真空チャンバーが必要です。真空チャンバーには通常、原子にレーザーを照射し (レーザー冷却など)、原子が発する光や原子による光の吸収を検出するための窓が含まれています。真空チャンバーには、原子をレーザー冷却するための原子源も必要です。原子源は通常、加熱されてレーザー冷却可能な熱原子を生成します。イオントラッピング実験では、真空システムはイオントラップと、その適切な電気フィードスルーも保持する必要があります。

中性原子システムでは、原子の収集と冷却の初期段階の一つとして、磁気光学トラップ（MOT）が頻繁に用いられます。MOTでは、通常、磁場コイルが真空チャンバーの外側に設置され、MOT用の磁場勾配を生成します。

レーザー

冷却原子装置に必要なレーザーは、原子の選択に完全に依存します。各原子は、非常に異なる波長で固有の電子遷移を有しており、原子をレーザー冷却するには、これらの遷移を駆動する必要があります。例えば、ルビジウムは非常に一般的に使用される原子であり、780 nmのレーザー光を用いて、数GHz離れた2つの遷移を駆動する必要があります。ルビジウム用の光は、780 nmの信号レーザーと電気光学変調器から生成できます。一般的に、中性原子の冷却には数十mW（より多くの原子を冷却するには数百mWが必要になることもあります）の電力が使用されます。一方、捕捉イオンは一般に強く閉じ込められており、レーザー光を小さなスポットサイズに集光できるため、マイクロワット単位の光出力が必要です。例えば、ストロンチウムイオンをドップラー冷却するには、422 nmと1092 nmの両方の光が必要です。レーザー冷却に伴うドップラーシフトが小さいため、レーザー冷却には数MHz程度の非常に狭いレーザーが必要です。このようなレーザーは一般に、分光参照セル、光空洞、または場合によっては波長計によって安定化されるため、レーザー光は原子遷移に応じて正確に調整できます。

光格子時計内のイッテルビウム原子の冷却、捕捉、および調査に使用されるレーザービーム。

参照

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