摘要
我們利用已碩士畢業的李益志學長與博士班卓鴻文學長所建立的雙磁光陷阱(double-MOT)成功地實現了銣-87（87Rb）原子的玻色-愛因斯坦凝結(Bose-Einstein condensation，簡稱BEC)，形成BEC的臨界溫度是540 nK，玻色凝結體(Bose condensate)的原子數目為1.7*10^4個。 雙磁光陷阱是由一個Chamber與Cell構成，以細長管子相連。Chamber的主要作用是快速收集銣原子，所以對真空度的要求不高，約為10^(-9)至10^(-10)torr之間，可捕獲1.3*10^9原子，生命週期(到達飽和值的e^(-1)的時間)約在2秒內。Chamber收集的原子被一道推送光(pushing beam)送往Cell進行接下來的實驗，我們以0.2s推送一次，共200次，40s的時間內可在Cell累積約1~1.5*10^9個原子。不同於Chamber的作用，Cell要求高真空，真空度高於5*10^(-10) torr，以避免收集的冷原子受到背景原子的碰撞而損失，冷原子在Cell的生命週期約16~26秒。 MOT是由六道雷射光與一個反霍爾磁陷阱(Qpole)組成，具有捕獲與冷卻原子的機制，但冷卻原子有其極限，約在300uK，下一步的冷卻的工作是進行偏極梯度冷卻(Polarization Gradient Cooling，簡稱PGC)，可將原子冷卻到20~30uK。這是本實驗利用雷射冷卻的降溫極限，隨後我們關閉所有雷射光，欲將磁光陷阱的原子趕到磁陷阱中，利用蒸發式冷卻法降溫。 由於Qpole有磁場零點的問題，會造成Majorana自旋翻轉(spin flipping)，使原子從磁場零點的地方逃離磁陷阱，為了解決這個問題，我們利用的方法是加入一個會隨時間改變的磁場，稱為TOP(Time-averaged Orbiting Potential Trap )，使得磁場零點的位置往外移，並隨時間改變，零點繞行的路徑稱為死亡圈(death circle)。 PGC後，隨即打入一道載入雷射(loading beam)，將原子準備到可以被TOP磁阱捕獲的|F=2, mF=2>能態，載入雷射會稍微對原子加熱，約增溫至30~40uK，從MOT陷阱轉換成TOP陷阱的轉換效率約為50%。隨後進行絕熱壓縮(adiabatic compression)，增加原子中心密度，也增加原子碰撞率，使形成BEC的最後一步--蒸發式降溫效果更好。 蒸發式降溫是利用趕掉高能量的原子，使得剩餘原子重新達熱平衡(rethermalize)，以犧牲原子數的方式將溫度降低。蒸發式降溫的初步是以降低TOP電流的方式進行，由於死亡圈的半徑與TOP磁場成正比，所以降低TOP磁場有助於死亡圈往內縮，當TOP磁場降至約4G時，將TOP固定在這個值，之後進行第二階段的無線電波誘發(radio frequency，簡稱RF)的蒸發冷卻方式。 TOP磁場捕獲的原子是待在|F=2, mF=2>能態，RF頻率選擇在Zeeman sublevel的頻率差，使得原本在mF=2的原子會吸收這道RF光，而躍遷到mF=1，mF=1會有非彈性碰撞，損失較快，mF=1的原子若再吸收一次RF光而躍遷到mF=0，則原子會跑離磁陷阱。唯有速度大的原子能跑離陷阱中心較遠的地方，磁場大而造成的能階分裂較大，需要較大的RF頻率。因此，在蒸發式降溫的過程中，RF頻率是從高頻往低頻減少。當快形成BEC時，會發現原子呈雙高斯結構(double Gaussian)的分佈，有熱原子也有BEC的存在，再稍微減少頻率，便可看到純的BEC。實驗上我們可達到1.7*10^4個純BEC，相空間密度高於2.6，形成BEC的臨界溫度是540nK，這裡指的臨界溫度是形成雙高斯結構前的溫度。 從捕捉至形成BEC的過程所花費的時間是80s，40s收集原子、6s絕熱壓縮、30s蒸發式降溫，4s的時間取得BEC影像。