微 弱 磁 場 検 出 の た め の 光 格 子 を 用 い た
超 高 感 度 磁 力 計 の 開 発
所 属 ： 東 北 大 学 サ イ ク ロ ト ロ ン ・ ラ ジ オ ア イ ソ ト ー プ セ ン タ ー
助 成 対 象 者 ： 原 田 健 一
共 同 研 究 者 ： 東 京 大 学 原 子 核 科 学 研 究 セ ン タ ー 酒 見 泰 寛
東 北 大 学 学 際 科 学 フ ロ ン テ ィ ア 研 究 所 井 上 壮 志
概 要
本 研 究 の 目 的 は 、高 感 度 か つ 高 空 間 分 解 能 が 期 待 さ れ る 光 格 子 磁 力 計 へ 向 け た 技 術 開 発 を 行 う こ と で あ る 。ま ず 光 格 子 に 原 子 を 捕 獲 す る た め の 予 備 冷 却 を 行 っ た 。実 験 セ ッ ト ア ッ プ M O T 1 を 改 造 す る こ と に よ り 、M O T 2 で 捕 獲 さ れ る 原 子 数 を 1 08個 か ら 1 × 1 01 0個 に ま で 増 強 す る こ と が で き た 。 ま た 原 子 集 団 の 温 度 を 約 2 0 μ K の 極 低 温 ま で 冷 却 す る こ と が で き た 。こ れ に よ っ て 光 双 極 子 力 ト ラ ッ プ 中 に 捕 獲 さ れ た 原 子 数 を 1 0 0 倍 程 度 改 善 す る こ と が で き 、 本 研 究 の 目 的 の 1 つ を 達 成 す る こ と が で き た 。 ま た 冷 却 原 子 に 対 し て 6 . 8 G H z の マ イ ク ロ 波 を 照 射 す る こ と で 、 ラ ム ゼ ー 干 渉 縞 を 観 測 す る こ と が で き 、そ の 周 波 数 分 解 能 は k H z 程 度 で あ る こ と が 分 か っ た 。abstract
T h e p u r p o s e o f t h i s r e s e a r c h i s t o d e v e l o p t h e t e c h n o l o g i e s f o r a h i g h - s e n s i t i v e a n d h i g h - s p a t i a l - r e s o l u t i o n m a g n e t o m e t e r u s i n g a l k a l i a t o m s i n a n o p t i c a l l a t t i c e ( O L ) . W e p e r f o r m e d m a g n e t o - o p t i c a l t r a p p i n g ( M O T ) a n d p o l a r i z a t i o n - g r a d i e n t c o o l i n g a s a p r e - c o o l i n g m e t h o d f o r l o a d i n g a t o m s i n t o a n O L . B y r e m o d e l i n g t h e e x p e r i m e n t a l s e t u p o f M O T 1 , w e i n c r e a s e d t h e n u m b e r o f t r a p p e d a t o m s i n M O T 2 f r o m 1 08 t o 1 × 1 01 0. M o r e o v e r , t h e t e m p e r a t u r e o f t h ea t o m i c c l o u d w a s r e d u c e d b y a b o u t 2 0 μ K . A s a r e s u l t , t h e n u m b e r o f t r a p p e d a t o m s i n t h e o p t i c a l d i p o l e f o r c e t r a p w a s i n c r e a s e d b y a b o u t 1 02 i n m a g n i t u d e . By applying the radio frequency of 6. 8 G H z
c o r r e s p o n d i n g t o t h e h y p e r f i n e s p l i t t i n g , w e s u c c e s s f u l l y o b s e r v e d R a m s e y i n t e r f e r e n c e f r i n g e s w i t h a f r e q u e n c y r e s o l u t i o n o f l e s s t h a n a f e w k i l o h e r t z .
研 究 内 容
「 背 景 」 高 感 度 か つ 高 空 間 分 解 能 で 磁 場 を 測 定 す る 技 術 は 、 電 気 双 極 子 能 率 探 索 な ど の 基 礎 物 理 学 分 野 を 始 め 、 地 震 や 火 山 の 調 査 な ど の 地 球 科 学 分 野 、 生 体 磁 気 イ メ ー ジ ン グ 、 脳 磁 計 な ど の 医 学 分 野 ま で 幅 広 い 領 域 で 必 要 と さ れ て い る 。 磁 場 を 測 定 す る 方 法 に は 、 誘 導 起 電 力 を 利 用 し た 探 り コ イ ル や ホ ー ル 素 子 な ど が あ る が 、 近 年 国 内 外 で 精 力 的 に 開 発 さ れ て い る 主 な も の と し て は 、 超 伝 導 量 子 干 渉 計 （ S Q U I D ） [ 1 ] や ガ ラ ス セ ル に 封 入 さ れ た ア ル カ リ 金 属 原 子 気 体 [ 2 , 3 ] 、 ボ ー ス ・ ア イ ン シ ュ タ イ ン 凝 縮 （ B E C ） 状 態 の 原 子 [ 4 ] を 用 い た も の が 挙 げ ら れ る 。 ま た ダ イ ヤ モ ン ド 中 の 窒 素 空 孔 中 心 の 電 子 ス ピ ン 状 態 を 用 い た 高 感 度 ナ ノ 磁 場 セ ン シ ン グ の 研 究 も 盛 ん に 行 わ れ て お り 、 量 子 技 術 を 用 い る 磁 力 計 と し て 注 目 を 集 め て い る [ 5 ] 。S Q U I D に 関 し て は 、岩 手 大 学 の 小 林 ら に よ っ て 比 較 的 小 型 の も の を 用 い た 空 間 分 解 能 の 高 い 磁 力 計 の 開 発 が 行 わ れ て い る 。 こ の S Q U I D の 大 き さ は 3 0 c m 程 度 で あ り 1 0- 1 2 T / H z1 / 2の 感 度 が 得 ら れ て い る が 、超 伝 導 状 態 を 利 用 し た 計 測 機 構 で あ る た め 液 体 ヘ リ ウ ム に よ る 冷 却 シ ス テ ム を 必 要 と し 、 シ ス テ ム の 運 転 ・ 維 持 に 多 大 な コ ス ト を 要 す る 。 ま た 冷 却 に 必 要 な ヘ リ ウ ム が 不 足 し 手 に 入 り に く い 問 題 も あ る 。 ア ル カ リ 金 属 原 子 気 体 の 磁 力 計 と し て 、 プ リ ン ス ト ン 大 学 の R o m a l i s ら や 京 都 大 学 の 小 林 ら の グ ル ー プ が 原 子 密 度 を 高 く す る こ と で ス ピ ン 偏 極 の 緩 和 レ ー ト が 小 さ く な る 状 態 （ S E R F ） を 利 用 し た 磁 力 計 の 開 発 を 行 っ て い る 。し か し な が ら S E R F 状 態 は ガ ラ ス セ ル を 高 温 に す る 必 要 が あ る た め 測 定 対 象 に 近 接 で き な い 問 題 が あ る 。ま た バ ー ク レ ー 大 学 の B u d k e r ら は 、ガ ラ ス 内 壁 へ の コ ー テ ィ ン グ に 改 良 を 施 し 、 そ の ガ ラ ス セ ル 内 に ル ビ ジ ウ ム （ R b ） 原 子 を 封 入 し た 磁 力 計 の 開 発 を 行 っ て い る 。こ の コ ー テ ィ ン グ は 最 大 6 0 s の コ ヒ ー レ ン ス 緩 和 時 間 を 達 成 し て い る が 、製 作 し た ガ ラ ス セ ル の 緩 和 時 間 に バ ラ つ き が 生 じ て お り 、 再 度 同 じ 性 能 を 持 つ コ ー テ ィ ン グ が 達 成 さ れ た と の 報 告 は な い 。 ま た ガ ラ ス セ ル を 用 い た 磁 力 計 の 空 間 分 解 能 は 原 子 の 拡 散 や図 1. 吸 収 イ メ ー ジ ン グ に よ る 原 子 雲 ガ ラ ス セ ル の サ イ ズ に よ っ て 制 限 さ れ る た め 局 所 的 な 磁 場 を 測 定 す る こ と は 難 し い 。 冷 却 原 子 を 用 い た も の は 高 い 空 間 分 解 能 で か つ 高 感 度 を 実 現 で き る た め 注 目 を 集 め て お り 、 学 習 院 大 学 の 平 野 ら の グ ル ー プ に よ っ て B E C 状 態 の R b 原 子 を 用 い た 磁 力 計 の 開 発 が 行 わ れ て い る 。 B E C 原 子 に 対 し て ス ピ ン エ コ ー 法 を 用 い て 交 流 磁 場 の 測 定 を 行 っ て お り 、 測 定 感 度 は 1 2 × 1 0- 1 2 T / H z1 / 2を 達 成 し て い る 。 し か し B E C 状 態 の 原 子 を 生 成 す る た め に は 数 1 0 秒 程 度 か か る た め 、 連 続 し た 磁 場 変 動 の 測 定 に は 向 い て い な い 。 「 目 的 」 本 研 究 で は 、 光 格 子 と 呼 ば れ る 周 期 的 な ポ テ ン シ ャ ル に 冷 却 さ れ た 原 子 を 閉 じ 込 め る こ と に よ り 、 衝 突 に よ る コ ヒ ー レ ン ス の 緩 和 や ス ペ ク ト ル の 広 が り が 抑 制 さ れ 、 局 所 的 な 磁 場 測 定 が 可 能 で あ る こ と に 着 目 し 、高 感 度 で 高 い 空 間 分 解 が 期 待 さ れ る 光 格 子 磁 力 計（ O L M ） へ 向 け た 技 術 開 発 を 行 っ た 。 光 格 子 は あ ら か じ め 約 1 0 0 μ K 以 下 に 予 備 冷 却 さ れ た 原 子 集 団 を 光 の 定 在 波 の 節 、 も し く は 腹 に 捕 獲 す る 方 法 で 、 非 共 鳴 な レ ー ザ ー 光 を 用 い て い る た め 光 と の 相 互 作 用 が な く 高 分 解 な 分 光 が 可 能 と な る 。 ま た 0 . 1 m3程 度 の 空 間 に 1 06個 程 度 の 原 子 が 局 在 化 し て い る た め 大 き な 信 号 を 得 る こ と が で き 、 さ ら に 捕 獲 す る た め に 必 要 な 時 間 は B E C 生 成 よ り も 格 段 に 短 い 。 こ れ ら の 利 点 に よ っ て 高 感 度 で 高 空 間 分 解 能 を 実 現 で き 、 従 来 ま で の 磁 力 計 の 不 得 意 な 点 を 克 服 で き る と 考 え 本 研 究 に 着 手 し た 。 「 結 果 」 ま ず 光 格 子 に 原 子 を 導 入 す る た め の 予 備 冷 却 と し て 、 磁 気 光 学 ト ラ ッ プ （ M O T ）、 偏 光 勾 配 冷 却（ P G C ）を 行 っ た 。光 源 に は 温 度 と 電 流 が 精 密 に 制 御 さ れ た 外 部 共 振 器 型 半 導 体 レ ー ザ ー が 用 い ら れ た 。 原 子 を 捕 獲 す る シ ス テ ム は 2 つ の 真 空 チ ャ ン バ ー か ら 構 成 さ れ 、 1 つ は R b ア ン プ ル か ら 供 給 さ れ た 原 子 を 捕 獲 す る た め の 真 空 チ ャ ン バ ー ( M O T 1 ) で 、も う 1 つ は 光 格 子 を 用 い た ラ ム ゼ ー 共 鳴 観 測 を 行 う 超 高 真 空 チ ャ ン バ ー ( M O T 2 ) で あ る 。 こ の 2 つ の チ ャ ン バ ー は 差 動 排 気 を 行 う た め 細 い チ ュ ー ブ で つ な が っ て お り 、M O T 1 に 捕 獲 さ れ て い る 原 子 が 共 鳴 す る 波 長 を も つ プ ッ シ ュ 光 に よ っ て 押 さ れ る こ と で 、細 い チ ュ ー ブ を 通 っ て M O T 2 へ と 輸 送 さ れ 、再 ト ラ ッ プ さ れ る 。今 回 M O T 1 の チ ャ ン バ ー を 改 造 し 、 1 08 個 か ら 1 01 0 個 に 捕 獲 原 子 数 を 改 善 す る こ と で 、 従 来 よ り も 約 1 0 0 倍 の 原 子 数 を M O T 2 で 捕 獲 す る こ と が 可 能 と な っ た 。 実 際 に 個 数 を 見 積 る 手 段 と し て 吸 収 イ メ ー ジ ン
図 2. 吸 収 イ メ ー ジ ン グ 画 像 の プ ロ フ ァ イ ル （ 図 1 中 の 白 線 ） グ 法 を 導 入 し た 。 吸 収 イ メ ー ジ ン グ 法 は 、 一 様 に 広 げ た イ メ ー ジ ン グ 光 と 呼 ば れ る 共 鳴 光 を 原 子 集 団 に 入 射 す る こ と で 、 原 子 集 団 が 吸 収 し た 部 分 だ け が 影 と し て C C D カ メ ラ に よ っ て 撮 像 さ れ る 方 法 で 、 原 子 集 団 の 個 数 や 半 径 、 密 度 な ど を 見 積 る こ と が で き る ( 図 1 ) 。 こ の 方 法 で 測 定 し た と こ ろ 、 M O T 2 で の 原 子 の 捕 獲 個 数 が 1 × 1 01 0個 を 達 成 し て い る こ と が 分 か っ た ( 図 2 ) 。 次 に 原 子 集 団 の 温 度 を 下 げ 、 光 格 子 に 捕 獲 す る た め の 効 率 を 向 上 さ せ る た め に 、 P G C に よ る 更 な る 冷 却 を 行 っ た 。M O T に よ る ド ッ プ ラ ー 冷 却 に は 限 界 温 度 が あ り 、8 7R b で は 1 4 0 μ K に な る 。 こ の 温 度 は 今 回 使 用 す る フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の 出 力 パ ワ ー に よ っ て 作 ら れ る 光 格 子 の ポ テ ン シ ャ ル と 比 較 し て 十 分 低 い と は 言 え な い 。 P G C は レ ー ザ ー 光 に よ っ て 生 じ る 光 シ フ ト を 利 用 し た 冷 却 法 で あ り 、 M O T に よ っ て 捕 獲 さ れ た 原 子 の 速 度 を さ ら に 遅 く（ 冷 却 ） す る こ と が 可 能 に な る が 、 こ の た め に は 環 境 磁 場 を 限 り な く 小 さ く し 、 ゼ ー マ ン 効 果 に よ る 磁 気 副 準 位 の 分 裂 を 抑 え る 必 要 が あ る 。 現 在 の 実 験 室 で は イ オ ン ポ ン プ に よ る 磁 場 と 地 磁 気 に よ る 影 響 が 大 き い た め M O T 2 の 周 り に 3 軸 の ヘ ル ム ホ ル ツ コ イ ル を 設 置 し 、 精 密 に 電 流 源 を 制 御 す る こ と で 調 整 を 行 っ た 。 原 子 集 団 が ど の 程 度 冷 却 さ れ た か を 確 認 す る た め に 飛 行 時 間 法 （ T O F 法 ） を 用 い 、 原 子 集 団 が 拡 散 し て い く 様 子 を 観 測 し た 。 光 を 切 る タ イ ミ ン グ を 0 秒 と し て 、 解 放 し て か ら の 原 子 集 団 の 半 径 を 時 間 の 関 数 と し て プ ロ ッ ト し た（ 図 3 ）。こ の デ ー タ を フ ィ ッ テ ィ ン グ す る こ と で 原 子 集 団 の 温 度 が 約 2 0 μ K で あ る こ と が 分 か っ た 。こ れ は M O T に よ る ド ッ プ ラ ー 限 界 温 度 よ り も 冷 却 さ れ て お り 、 P G C の 効 果 が 表 れ て い る こ と を 示 し て い る 。 チ ャ ン バ ー の 改 良 に よ る 1 × 1 01 0 個 の 個 数 達 成 と 、冷 却 温 度 2 0 μ K の 成 功 に よ っ て 、光 双 極 子 力 ト ラ ッ プ に 捕 獲 さ れ る 原 子 数 を 1 0 0 倍 程 度 改 善 す る こ と が で き た 。 こ れ は 光 格 子 に 1 06個 捕 獲 す る た め に 十 分 な 性 能 で あ る 。 磁 場 変 動 は 、 ゼ ー マ ン 効 果 に よ る 原 子 の エ ネ ル ギ ー 準 位 の シ フ ト を 精 密 に 測 定 す る こ と で 見 積 も る こ と が で き る が 、 こ の 方 法 に ラ ム ゼ ー 共 鳴 法 を 用 い た 。 ラ ム ゼ ー 共 鳴 信 号 を 観 測 す る た め に 用 い た の は 、8 7R b 原 子 の 5 S 1 / 2、 F = 1 → 5 S1 / 2、 F = 2 間 の 6 . 8 G H z の 遷 移 で あ る 。 M O T で 捕 獲 し た 冷 却 原 子 の こ の 遷 移 に 対 し て マ イ ク ロ 波 を 照 射 す る こ と で 、 ラ ム ゼ ー 干 渉 縞 を 取 得 で き る こ と を 確 認 し た 。 現 在 は M O T を 切 っ た 解 放 系 で 測 定 を 行 っ て い る た
図 3. PGC を 行 っ た 時 の TOF の グ ラ フ 。 め に 原 子 が 拡 散 し 、 1 m s 以 下 の コ ヒ ー レ ン ス 時 間 し か 得 ら れ て い な い 。 今 後 は 光 格 子 や 光 双 極 子 力 ト ラ ッ プ 中 に 捕 獲 さ れ た 原 子 を 用 い る こ と で 、 1 s 以 上 の コ ヒ ー レ ン ス 時 間 を 達 成 す る こ と が 可 能 と な り 、 精 度 の 向 上 が 見 込 ま れ る 。 ま た 測 定 デ ー タ の 誤 差 を 小 さ く す る た め に 、 新 し い 安 定 な 光 源 を 導 入 し た 。 そ の 光 源 の 周 波 数 と 強 度 の 安 定 性 を 調 べ 、 さ ら に フ ィ ー ド バ ッ ク 回 路 を 製 作 す る こ と で 、磁 場 を 高 精 度 に 測 定 す る こ と が 可 能 と な っ た 。 「 今 後 」 本 研 究 で は 光 格 子 磁 力 計 を 用 い た 高 感 度 磁 場 検 出 に 向 け て 、 光 格 子 の た め の 装 置 開 発 と 高 感 度 磁 場 検 出 を 可 能 に す る た め の ラ ム ゼ ー 共 鳴 法 の 開 発 を 行 っ た 。 光 格 子 に つ い て は 、 捕 獲 個 数 が 十 分 で は な い と い う 問 題 点 を 克 服 す る こ と が で き た た め 、 光 格 子 中 の 原 子 の コ ヒ ー レ ン ス 時 間 等 の 評 価 を 行 う 。 ラ ム ゼ ー 共 鳴 法 に つ い て は 、 冷 却 原 子 を 用 い た 測 定 に 成 功 し て お り 、 k H z 程 度 の 周 波 数 分 解 能 が 得 ら れ て い る 。 ま た 新 し い 安 定 な 光 源 を 導 入 す る こ と で 、 測 定 デ ー タ の 誤 差 を 改 善 す る こ と が 可 能 と な っ た 。 今 後 は O D T と 光 格 子 で の ラ ム ゼ ー 共 鳴 測 定 を 行 う こ と で 更 な る 周 波 数 分 解 能 の 向 上 を 目 指 し 、 磁 場 測 定 の 感 度 と 空 間 分 解 能 の 評 価 を 行 う 。 引 用 文 献 [ 1 ] K . K o b a y a s h i e t a l ., I E E E t r a n s a c t i o n s o n m a g n e t i c s 3 9 , 3 3 7 8 ( 2 0 0 3 ) . [ 2 ] I . K . K o m i n i s e t a l ., N a t u r e 4 2 2 , 5 9 6 ( 2 0 0 3 ) . [ 3 ] M . V . B a l a b a s e t a l ., P h y s . R e v . L e t t . 1 0 5 , 0 7 0 8 0 1 ( 2 0 1 0 ) . [ 4 ] Y E t o e t a l ., P h y s . R e v . A 8 8 , 0 3 1 6 0 2 ( R ) ( 2 0 1 3 ) . [ 5 ] J . M . T a y l o r e t a l ., N a t u r e P h y s i c s 4 , 8 1 0 ( 2 0 0 8 ) . 本 助 成 に 関 わ る 成 果 [ 口 頭 発 表 ] ・ L a s e r f r e q u e n c y l o c k i n g w i t h 4 6 G H z o f f s e t b y u s i n g a n e l e c t r o - o p t i c m o d u l a t o r f o r m a g n e t o - o p t i c a l t r a p p i n g o f f r a n c i u m a t o m s 5 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n o n L a s e r s , O p t i c s a n d P h o t o n i c s a t A t l a n t a , U S A , N o v . 2 8 - 3 0 ( 2 0 1 6 ) .
K e n - i c h i H a r a d a ( I n v i t e d ) . ・ 電 子 E D M 探 索 に 向 け た 光 双 極 子 ト ラ ッ プ 中 の 捕 獲 効 率 の 向 上 坂 本 幸 祐 , 原 田 健 一 , 青 木 貴 稔 , 早 水 友 洋 , U . D a m m a l a p a t i , 加 藤 浩 , 青 木 隆 宏 , 伊 藤 沙 希 , 井 上 壮 志 , 内 山 愛 子 , 川 村 広 和 , 酒 見 泰 寛 日 本 物 理 学 会 ， 2 2 a A X - 2 ( 第 7 1 回 年 次 大 会 ) ( 2 0 1 6 ) . ・ レ ー ザ ー 冷 却 フ ラ ン シ ウ ム 原 子 に よ る 電 子 E D M 探 索 に 向 け た 電 場 印 加 シ ス テ ム の 開 発 井 上 壮 志 , 石 川 泰 佑 , 内 山 愛 子 , 原 田 健 一 , 川 村 広 和 , 早 水 友 洋 , 加 藤 浩 , 青 木 隆 宏 , 坂 本 幸 祐 , 伊 藤 沙 希 , 青 木 貴 稔 , 酒 見 泰 寛 日 本 物 理 学 会 ， 2 2 a A X - 3 ( 第 7 1 回 年 次 大 会 ) ( 2 0 1 6 ) . ・ フ ラ ン シ ウ ム 原 子 を 用 い た 電 子 E D M 探 索 に 向 け た ル ビ ジ ウ ム 磁 力 計 の 研 究 内 山 愛 子 , 井 上 壮 志 , 青 木 隆 宏 , 伊 藤 沙 希 , 加 藤 浩 , 川 村 広 和 , 坂 本 幸 祐 , 早 水 友 洋 , 原 田 健 一 , 青 木 貴 稔 , 旭 耕 一 郎 , 吉 見 彰 洋 , 酒 見 泰 寛 日 本 物 理 学 会 ， 2 2 a A X - 4 ( 第 7 1 回 年 次 大 会 ) ( 2 0 1 6 ) . [ ポ ス タ ー 発 表 ] ・D e v e l o p m e n t o f t h e m a g n e t o - o p t i c a l t r a p s y s t e m f o r r a d i o a c t i v e f r a n c i u m a t o m s t o w a r d a n e l e c t r o n e l e c t r i c d i p o l e m o m e n t s e a r c h K . H a r a d a , T . A o k i , K . K a t o , K . S a k a m o t o , T . H a y a m i z u , H . K a w a m u r a , T . I n o u e , T . A o k i , A . U c h i y a m a , S . I t o , M . I t o h , A . H a t a k e y a m a , a n d Y . S a k e m i 8 t h I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n F u n d a m e n t a l P h y s i c s U s i n g A t o m s ( F P U A 2 0 1 5 ) a t R I K E N , J a p a n , N o v . 3 0 - D e c . 1 ( 2 0 1 5 ) . [ そ の 他 ] ・ P r e s e n t S t a t u s o f t h e D e v e l o p m e n t o f a n O p t i c a l D i p o l e F o r c e T r a p S y s t e m t o w a r d s t h e E l e c t r o n E l e c t r i c D i p o l e M o m e n t S e a r c h C Y R I C A n n u a l R e p o r t 2 0 1 4 - 2 0 1 5 i n p r e s s ( 2 0 1 7 ) .
