レーザー冷却

レーザー冷却とは

レーザー冷却は、文字通りレーザー光によって原子を冷却する技術です。レーザー冷却によって冷却される原子の温度は極低温となり、絶対零度付近まで原子を冷やすことができます。

レーザー冷却は荷電粒子を空間内に閉じ込めるイオントラップといった技術と併用されることも多く、量子コンピュータの開発などさまざまな分野で利用されています。

反面、高精度のレーザー冷却には精密なレーザー波長制御などが必要不可欠で、技術が求められることもポイントです。

レーザー冷却の用途

レーザー冷却の用途はさまざまであり、例えば原子やイオンの超低温アンサンブルを作成するために用いられます。これにより超低温原子を使ったボーズ・アインシュタイン凝縮や超流動などの量子現象を研究することが可能です。

さらに超低温原子は多体量子系シミュレーションにできることも見逃せません。

その他にも、超低温原子は重力系や原子時計などの精密計測器や量子情報処理に活用されており、レーザー冷却の技術を応用・発展させることで幅広い分野のイノベーションへつなげられることが魅力です。

レーザー冷却の手法

ドップラー冷却

ドップラー冷却は、気体原子ガスへ特定波長のレーザーを照射することによって原子が冷却される現象です。そもそも温度は原子や分子の運動エネルギーに比例して高まることがポイントであり、さらに原子が吸収できる光の周波数と原子の運動速度が依存関係にあるという点が重要となります。そしてレーザーに向かって原子が移動すると、原子に影響する光の周波数は高い値へ遷移し、逆に距離が離れると周波数は低い値へ遷移します。

トップラー冷却では原子の進行方向と逆方向へ正確にレーザーを当てることで原子の運動を遮ることが可能となり、結果的に原子の運動エネルギーを減少させることで冷却効果を得ることができます。

ただし、ドップラー冷却にはリコイルエネルギーによる加熱効果のせいで限界が存在することも重要です。

シーシュポス冷却

シーシュボス冷却は荷電粒子の1つであるイオンを冷却するための技術です。具体的にはイオンの電荷と光の電場の相互作用によって冷却効果を得ます。

前提として、イオンがレーザー光の中を移動する際にはレーザー強度の勾配に比例して、時間変化のある力を受け取ります。そのため2つ以上の離調されたレーザーを用いて、イオンがいつでもレーザー強度の上り坂を移動するように整えることで、イオンを冷却するといったことが可能です。

偏光勾配冷却

複数のレーザーを使用するというレーザー冷却では、偏光勾配冷却と呼ばれる手法も存在します。これは後方励起型レーザービームを2本使用するものであり、それぞれのレーザーは直交もしくは互いに逆向きの偏光状態にあることがポイントです。なおセットアップとしては円偏光や直線偏光などが存在します。

偏光冷却勾配の原理は、原子内の電子エネルギー状態と磁気特性に関連したゼーマン効果にもとづいており、ドップラー冷却よりも温度を低温にすることが可能です。

サブドップラー冷却

ドップラー冷却では原子の冷却可能な温度に関して限界が存在することを上述しましたが、冷却状態がドップラー限界へ到達する際に使用される技術がサブドップラー冷却です。

分解サイドバンド冷却

ドップラー冷却を予備冷却として活用した上で、さらに冷却効果を得るためにサイドバンド冷却と呼ばれる方法を用いる場合もあります。

冷却効果によってイオンの振幅が小さくなり光の波長や電磁波の波長以下になると、サイドバンドにも支配環境にも影響が生じます。

ドップラー冷却とイオントラップでイオンを任意領域に閉じ込め、さらに冷却を進めるためにサイドバンド冷却は有効です。

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レーザー冷却に使用されるレーザー機器

レーザー冷却に使用されるレーザー機器として、単一周波数ファイバーレーザーを用いたレーザー機器などが開発されています。

レーザー冷却では原子やイオンへ正確な波長のレーザーを照射しなければならず、ノイズを低下させてレーザーの周波数を安定させつつ、高出力のレーザー照射を叶えるといった多角的な機能が求められます。そのためレーザー冷却を目的としてレーザー機器を導入する際には、それぞれの機能や特性を把握した上で十分な比較検討が大切です。