【研究分野】光工学・光量子科学

【研究領域課題番号】15H02027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザー冷却 / ストロンチウム / 原子時計 / 光格子時計 / レーザ周波数安定化 / ホローカソードランプ / レーザー周波数安定化 / レーザー / 光格子 / レーザー分光 / 超微細構造定数 / 量子光工学 / 準安定状態 / 分光 / 超微細構造 / 同位体シフト / 原子・分子物理 / 量子エレクトロニクス / 周波数標準

【研究成果の概要】

線幅がｍHz級のレーザーを光格子中に閉じ込められたストロンチウム原子を用いて実現するための基礎研究を行った。そのスタートとして、簡便なストロンチウム原子のレーザー冷却技術の開発を行った。一つ目として、基底状態のみならず、励起状態のストロンチウム原子のドップラーフリー分光をホローカソードランプを用いて実現できることを実証した。また、適切が外部磁場をホローカソードランプに加えることにより、レーザー光に変調を加えることなく、レーザー冷却に十分な安定度でレーザー周波数を安定化する技術も開発した。また、ゼーマン減速器を用いず、直接熱的原子をガラスセル内でレーザー冷却する技術も開発した。

【研究の社会的意義】

光格子時計の精度は300億年に１秒であり、これは1㎝の高低差による時計の進み方の違い（重力による赤方偏移）を検出できるレベルである。光格子時計は、将来の秒の定義の最有力候補であるのみならず、地殻変動の検知や地震予知など重要な社会インフラとなる可能性を秘めている。実際、セシウム原子時計によって維持されているGPSは、我々の生活になくてはならない社会インフラとなった。しかしながら、光格子時計はセシウム原子時計に比べて格段に装置が複雑であり、社会インフラとなるための大きな障害となっていた。本研究により光格子時計の構築を格段に簡略化することが可能となり、社会インフラへの道が大きく開けたといえる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】40,560千円 (直接経費: 31,200千円、間接経費: 9,360千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】25610113 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザー / 量子エレクトロニクス / ホローカソード放電 / ストロンチウム / レーザー分光 / 周波数安定化 / ストロンチウム原子 / レーザー冷却 / 放電

【研究成果の概要】

レーザーの周波数を安定化させる手法として、ガラス製の光共振器を用いる従来の手法とは異なり、ストロンチウム原子のコヒーレンスを用いる手法の開発を行った。この手法を実現するためには、十分な密度の（レーザー光の吸収量が50%程度の）原子気体を用意する必要がある。そのために、まず原子オーブンの開発を行ったが、射出口のステンレスハニカムチューブ内の原子間衝突によって10%以上の吸収を得ることが難しいことが判明した。またストロンチウム原子のホローカソードランプ用いた実験では、バッファガスの条件を最適化しても１％程度の吸収しか得ることができないことがわかった。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】23684032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザー冷却 / レーザー分光 / 偏光分光 / ホローカソードランプ / ストロンチウム / リチウム / ルビジウム / 光イオン化 / 速度変化衝突 / 原子オーブン / 蒸発冷却 / 協同冷却 / ホローカソード / 量子光学 / ボース凝縮 / 量子縮退気体 / 原子光学

【研究成果の概要】

量子原子光学の新規開拓に向けて，ルビジウム原子、リチウム原子、およびストロンチウム原子の同時レーザー冷却システムを構築した．ストロンチウム原子のレーザー冷却光が，レーザー冷却えれたルビジウム原子に与える影響（光イオン化によるロス）を初めて定量的に見積もった．ストロンチウム原子のレーザー冷却のための光学系の大幅な簡素化を行い，ホローカソードランプを用いたストロンチウム原子の基底状態および準安定状態の分光方法を確立した．

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】28,340千円 (直接経費: 21,800千円、間接経費: 6,540千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス・プラズマ

【研究領域課題番号】15204035 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ボース・アィンシュタィン凝縮 / レーザー冷却 / 原子レーザー / 原子光学 / ボース・アインシュタイン凝縮 / ボース・アインシュタイン凝集 / 原子ビーム / ボーズ・アインシュタイン凝縮 / レーザー分光 / 周波数安定化

【研究成果の概要】

既に実現したゼーマン減速器によって生成された低速(20m/s)のルビジウム原子線を磁気光トラップ(MOT)にロードし、約10^<10>個の原子を捕獲した。この原子集団をアンチヘルムホルツコイルによる四重極磁場で磁気トラップに捕獲し、さらに、シフトコイルと呼ばれる別のアンチヘルムホルツコイルを用いて、磁気トラップされた原子集団をガラス表面に断熱的に移動させた。磁気トラップ内で大きな運動エネルギーを持つ原子が選択的にガラス表面に衝突するため、蒸発冷却が働き、位相空間密度を2倍程度まで上昇させることに成功した。更なる位相空間密度の向上のために、四重極磁場によって磁気トラップされた原子集団を、Z型ワイヤーによる、ヨッフェ・プリチャード型磁気トラップに移行させ、断熱圧縮を試みた。しかしながら、移行効率が10%程度に留まり、蒸発冷却に十分な空間密度が得られなかったため、位相空間密度の向上は見られなかった。今後は、MOTされた原子集団を、四重極磁場でなく、最初からヨッフェ・プリチャード型磁気トラップで捕獲し、断熱圧縮した原子集団をガラス表面に近づけ、表面蒸発冷却を試みたい。なお、本研究で培われた高輝度低速原子線源の技術を、MITとの共同研究として論文(Rev.Sci.lnstrum.77,023106(2006))に発表した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】47,840千円 (直接経費: 36,800千円、間接経費: 11,040千円)

【研究分野】物理学一般

【研究領域課題番号】07454091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

二光子レーザー / レーザー冷却 / ドレスド状態 / 強度相関 / 量子干渉 / 精密分光 / ド-ナツビームトラプ / ボ-ズアインシュタイン、縮 / 原子トラップ / ボ-ズ凝縮 / 磁気光学トラップ / ド-ナツビーム / 電磁光学トラップ / 共振器量子電気力学 / レーザー分光 / 超微細構造 / 四光波混合

【研究成果の概要】

外部共振器型の半導体レーザシステムと磁気光学トラップ(MOT)用の真空槽を製作した。レーザー周波数はルビジウム原子の超微細構造間の光学遷移に固定し安定化している。
まずガラスセルを用いた分光では、自然幅に制限された分解能を得た。
次にルビジウム原子をMOT中に閉じこめ各種分光を行った。MOTのために用いるトラップレーザーとリボンプレーザーの2台のレーザー以外に、強度の弱いプローブレーザーをトラップ中に導くことで、原子トラップを壊すことなく精密な分光が行える。我々はプローブレーザーの透過スペクトルを、トラップ、リポンプレーザーの偏光、強度、離調を系統的に変化させて測定した。また、プローブレーザーの反射スペクトルも観測した。これらのスペクトルはドレスド原子の描像によりよく説明できた。
MOTに引き続き偏光冷却(PGC)を行うことで、約10μKという超低音のルビジウム原子集団を得ることができた。また、dark MOTと呼ばれるMOTを改良した原子トラップを作ることで、原子の密度を以前の1.5倍にすることができた。
また、全く新しい方法による中性原子のトラップを実現した。この新しく我々が開発した方法は、断面がド-ナツ状のレーザー光を用いるものであり、従来の方法よりも簡便でかつ高性能なトラップが実現できる。特に、磁場を用いずにすべて光のみで行うため、トラップした後の原子を自由自在に操作することが可能である。さらに、ここで開発したトラップは原子が外場がゼロになるところにトラップされるため、物理の基本原理を検証する実験に大いに役立つものと考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】6,600千円 (直接経費: 6,600千円)