외장형 금속 원자칩을 이용한 중성 Rb 원자 광자기 포획 = Magneto Optical Trap of Neutral Rb atoms with an External Metal Atom Chip

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We have designed and tested an atom chip for the first step toward the Bose-Einstein Condensation with an external chip. The external type is more applicative than internal chip, most established - long life time in a ultra high vacuum, to readily supply electric power, to reduce the disturbance of trapped due to the chip's current and to prevent degradation of the vacuum due to out-gassing from the atom chip. A 16×16×70 ㎣ cuvette made by Pyrex is used to experiment. The lower part of the cuvette is bonded on vacuum pump system and the top side is covered by dielectric coated mirror on cover glass. And then the chip is carefully mounted on the mirror. In this sense, our system is a really external chip.
The vacuum chamber can keep 7.6×10^(-10) torr, enough to Bose-Einstein condensation, without operating Ti-Sublimation pump.
In this system, we have magneto optically trapped Rb atoms. (85)
b is trapped whit cooling beams, 7.1 ㎒ red-detuned on the 5²S_(1/2)(F=3)→ 5²P_(3/2)(F’=4) transition line, and repumping beam, resonance on 5²S_(1/2)(F=2) →5²P1/2(F’=3) transition line. And 87Rb is trapped with 7.1 ㎒ red detuned on 5²S_(1/2)(F=2)→5²P_(3/2)(F’=3) transition line cooling beams and 5²S_(1/2)(F=2)→ 5²P_(3/2)(F’=2) resonance repumping beam. In the result, we measure a number of trapped atoms in 10^(7) and a temperature in few mK by using absorption image of trapped atoms. In order to locate trapped atoms near the chip surface, mirror-MOT(Magneto Optical trap) which is more suitable for atom chip than the conventional six beams MOT is done. The trapped atoms are contineously trapped by U-wire on the chip and an external homogeneous magnetic field(U-MOT). Amount of a fluorescence of U-MOT is 27.1% of mirror-MOT's one in this system.
In conclusion, we confirm that our chip is suitable for Bose-Einstein condensation in a external type.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 외장형 원자칩(atom-chip)을 이용하여 중성원자의 보즈-아인슈타인 응축현상(Bose-Einstein condensation)을 실험적으로 구현하기 위한 단계로, 외장형 원자칩을 제작하여 이의 작동여부를 실험적으로 확인하였다. 외장형 원자칩은 기존의 원자칩의 단점을 보완하는 더욱 활용적인 응축 시스템을 지향한다. 실험을 위해 Pyrex 재질로 만들어진 16×16×70 ㎣ 크기의 사각관을 진공챔버와 연결하고 사각관의 윗 부분을 커버 글라스에 유전체 코팅된 거울로 막은 뒤 거울 윗면에 원자칩을 설치하여, 외장형 원자칩 형태의 진공셀을 제작하였다. 제작된 셀은 Ion 펌프만으로 7.6×10^(-10) torr의 고진공을 유지되며 Ti-Sub. 펌프의 사용으로 응축 현상 구현이 가능한 10^(-11) torr의 고진공이 가능하다.
(85)
b 원자의 5²S_(1/2)(F=3)→5²P_(3/2)(F’=4) 전이선에서 7.1 ㎒ 적색편이된 레이저를 냉각광으로 이용하고, 5²S_(1/2)(F=2)→5²P1/2(F’=3) 전이선에 공명하는 레이저를 재펌핑광으로 이용하여 제작된 셀에서 (85)
b 원자를 광자기 포획하였으며, 87Rb 원자의 5²S_(1/2)(F=2)→5²P_(3/2)(F’=3) 전이선에서 7.1 ㎒ 적색편이된 레이저와 5²S_(1/2)(F=2)→5²P_(3/2)(F’=2) 전이선에 공명하는 레이저를 각 각 냉각광과 재펌핑광으로 이용하여 87Rb 원자를 광자기 포획 할 수 있었다. 포획된 원자의 수와 온도는 흡수 사진을 이용하여 측정할 수 있었으며, 수 mK의 온도를 가지는 10^(7)개 정도의 원자가 포획됨을 확인하였다. 광자기 포획된 원자를 원자칩 표면 가까이에 위시키시기 위해서 거울을 이용한 광자기 포획(mirror-MOT) 기술을 이용하였으며, 원자칩 표면 가까이에 포획된 원자는 원자칩 내의 U형 전선에 의한 자기장과 외부 균일한 자기장을 이용하여 지속적으로 포획상태를 유지할 수 있었다. 포획된 원자의 형광 사진을 비교하여 원자칩에 의해 광자기 포획된 원자 수는 거울을 이용하여 광자기 포획된 원자 수의 27.1%임을 확인하였다.
본 연구에서 제작한 원자칩은 고진공 셀에서 만족스러운 결과를 주었으며 이를 이용하여 응축 현상구현이 가능하다는 것을 실험적으로 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 2준위 원자와 광과의 상호작용 4
• 가. 해밀토니안(Hamiltonian) 4
• 나. 2준위 원자의 정상상태 6
• 다. 광의 세기에 따른 선폭확대 8
• 2. 광자기 포획 11
• 가. 광의 에너지와 운동량 11
• 나. 2준위 원자에 작용하는 광압력(light pressure force) 12
• 다. 광자기 포획의 원리 13
• 라. 광자기 포획구도(six beams-MOT vs mirror-MOT) 16
• 마. 포획 속력과 포획 깊이(capture velocity and trap depth) 18
• 바. 포획 부피(capture volume) 20
• 사. 이송방정식(loading equation) 22
• 3. 포획된 원자의 수와 온도측정 24
• 가. 광자기 포획된 원자의 개수 측정 24
• 나. 광자기 포획된 원자의 온도 측정 26
• 4. 포획에 이용된 자기장 29
• 가. 원형 전류고리에서의 자기장 29
• 나. Helmholtz 구도에서의 자기장 30
• 다. Anti-Helmholtz 구도에서의 자기장 31
• 라. U형 전선에서의 자기장 32
• Ⅲ. 실험장치 35
• 1. 레이저 시스템 35
• 가. ^(85)Rb 포획을 위한 레이저 시스템 35
• 나. ^(87)Rb 포획을 위한 레이저 시스템 41
• 2. 외장형 금속 원자칩과 진공챔버 47
• 3. 코일 53
• 4. 광자기 포획 55
• 5. 인터페이스 58
• Ⅳ. 실험 결과 및 분석 61
• 1. 6광 광자기 포획(Six beams-MOT) 61
• 2. 거울 광자기 포획(Mirror-MOT) 66
• 3. U형 전선을 이용한 원자칩에서의 광자기 포획(U-MOT) 69
• Ⅴ. 결론 및 제언 73
• 참고문헌 75
• ABSTRACT 79
• 부록 81
• 논문발표 및 학회 발표 목록 82
• 감사의 글 84