Sub-Doppler cooling in a compact conical hollow mirror integrated with anti-Helmholtz coils

これらの研究者の成果を理解するには、まず原子を減速させるという繊細な技術を理解しなければなりません。原子は物質の基本的な構成要素ですが、高温の状態では、信じられないほどの速度で飛び回り、混沌とした方法で衝突し、散乱します。極めて高い精度で原子を研究したり、原子時計のような高度な技術に利用したりするためには、科学者はまず、絶対零度に近い温度まで原子を冷却しなければなりません。これは通常、レーザー光を用いて行われます。光は通常、物体を押し退けるものですが、科学者たちは、原子がビームに向かって移動する際に光子を吸収し、その動きを緩やかにする穏やかな「キック」を受けるように、レーザーを調整する方法を見出しました。あらゆる方向からレーザーを配置することで、原子を一定の位置に保持し、ほとんど動きのない状態まで冷却するトラップを作り出すことができます。この技術は「磁気光学トラップ」として知られており、多くの現代的な量子実験における標準的な出発点となっていますが、必要な装置はしばしば嵩張（かさづ）かしく複雑であり、機能させるために複数の強力なレーザーと大きな磁気コイルを必要とします。

東京大学と提携機関の物理学者チームは、より少ない装置とエネルギーでこの冷却を実現する方法を現在実証しています。彼らは、単一のレーザービームと特殊な形状の鏡を使用して、ルビジウム原子を捕捉・冷却するコンパクトな装置を構築しました。通常、異なる角度から原子に向かう6つの独立したレーザービームを必要とするセットアップの代わりに、彼らの設計ではアルミニウム製の中空の円錐を使用しています。この円錐の中心に向かって単一のレーザービームを照射すると、円錐の内壁が光を反射し、実質的に光を分割して原子を取り囲む複数のビームへと変えます。円錐の形状はまた、光を中央に向かって集中させるため、トラップの効率を大幅に高めます。これにより、研究者たちは従来の方法よりも大幅に少ないレーザーパワーを使用して、大量の原子を捕らえることが可能になります。

研究者たちは、この円錐形の鏡を磁気コイルと組み合わせて、一つの小さな機械的ユニットに統合しました。彼らは円錐の中にレーザービームを照射し、磁場を用いてルビジウム原子を固定しました。彼らは、レーザー強度が6.5ミリワット毎平方センチメートルという特定の比較的低いレベルに設定されたときに、捕捉できる原子の数がピークに達することを発見しました。これは、6つの独立したビームを使用する標準的なトラップで通常必要とされるパワーよりも、およそ4分の1少ない電力です。これらの最適な条件下で、彼らは約1,000万個の原子を捕捉することに成功しました。この効率性は、円錐の幾何学的形状による直接的な結果であり、光を広い範囲に分散させるのではなく、原子が存在する場所に正確に集中させているためです。

原子を捕捉した後、チームはそれらをどこまで冷やせるかを検証しました。彼らは、光の微細な特性を利用して原子からさらにエネルギーを取り除く「偏光勾配冷却」と呼ばれる手法を適用しました。その結果、原子は驚くほど低温になり、この種の冷却における標準的な限界を大きく下回る温度に達しました。しかし、冷却はすべての方向で均一ではありませんでした。原子は、円錐の横方向に移動する方向については約13.4マイクロケルビンまで冷却されましたが、円錐の軸に沿って上下に移動する方向については、約106マイクロケルビンと、より高い温度のままでした。この違いは、円錐によって作られる光のパターンがこれら2つの方向で異なるために起こります。つまり、光の配置が、横方向の動きを止めるのには非常に効果的である一方で、円錐の長手方向の動きを止めるのにはあまり効果的ではないのです。

チームはまた、追加の冷却ステップを適用する前、つまり最初に原子がトラップされた直後の温度も測定しました。その結果、横方向に移動する原子は約1.2ミリケルビンであり、これは同様の設定を用いた標準的な6ビーム型のトラップで見られる温度よりも、およそ7倍熱いことが分かりました。これは、円錐の形状が、円錐の中心の周りを回転するように動く原子を冷却する効率が低いという特定のタイプの力を生み出すという、事前のコンピュータ・シミュレーションの結果を裏付けるものです。この半径方向の温度は理想的な状態よりも高いものの、単一の、コンパクトで電力効率の高い装置を用いてこれほど大量の原子を捕捉できる能力は、大きな進歩を意味しています。研究者たちは、このシンプルな統合型ミラーシステムが、冷たい原子の実際的かつ効果的な供給源となり得ることを証明しており、大規模な研究所の外でも使用できる、より小型で携帯可能な量子センサーや原子時計への道を開きました。