Cold atomic ytterbium (Yb, Z=70) densely captured in a
magneto-optical trap (MOT) has opened many possibilities for fundamental studies and applications, including optical
frequency standards, parity non-conservation tests, and cold collisional properties. Ytterbium atoms can be cooled and trapped by two types of magneto-optical trapping: the strongly interacting $(6s^{2})^{1}\textrm{S}_{0}$-$(6s6p)^{1}\textrm{P}_{1}$ transition with a laser wavelength of 398.9 nm and the weakly interacting $(6s^{2})^{1}\textrm{S}_{0}$-$(6s6p)^{3}$P$_{1}$
transition with a laser wavelength of 555.8 nm. In this dissertation, we summarize how an ytterbium MOT has been constructed, what are the
characteristics of trapped cold Yb gas, and how the performance of Yb MOT has been improved, after a brief review of the principles of Doppler cooling, Zeeman slowing, and magneto-optical trapping.
Radiative decay from the $^{1}\rm{P}_{1}$ state to metastable $^3$P states limits the number of trapped atoms, as well as the $(6s^{2})^{1}$S$_{0}$-$(6s6p)^{1}$P$_{1}$ transition MOT lifetime. Therefore, researchers have attempted to improve the Yb MOT by eliminating the shelving loss characteristics. In this thesis, we report that the atoms associated with the metastable states $(6s6p)^{3}\rm{P}_{0,2}$ are optically repumped, and that the loss rate of the $^{1}$S$_{0}$-$^{1}$P$_{1}$ transition is extracted using trapping laser power-dependent fluorescence measurements. Experiment were performed with and without each repump laser, i.e., a 650-nm laser ($^{3}$P$_{0}$-$^{3}$S$_{1}$) and a 770-nm laser ($^{3}$P$_{2}$-$^{3}$S$_{1}$). The loss rates associated with radiative decay to the metastable states were then analyzed. The experimental results indicate that the number of trapped atoms increases compared to the no-repumping case, by up to 30\%. The repumping has also more than doubled the lifetime of the trapped atoms. The loss rate term was affected by three major physical properties: the background gas collisions, the Yb-Yb collisions, and the loss to the metastable states. By considering all of these contributions to this particular loss, we experimentally measured the rate of decay from $^1$P$_1$ state to metastable states. The measurement results show a good agreement with the theoretical predictions.
저온 상태의 이터븀 (Yb, Z=70) 원자는 많은 기초적인 연구와 응용에 대한 가능성을 가지고 있다. 예를 들어 광 주파수 표준, 패리티 비보존 실험. 초저온 상태의 충돌과 산란에 관한 연구들이 있다. 포획된 이터븀 원자들을 만들기 위해서 두 가지의 자기광포획(MOT)을 이용하고 있다. 첫 번째로 강한 에너지를 가진 398.9-nm 레이저로 자기광포획을 하는 방법, 두 번째로 약한 에너지를 가진 555.8-nm 레이저로 자기광포획을 하는 방법이 있다. 이 학위논문에서는 도플러 냉각, 제만 에너지 차이를 이용한 냉각, 자기광포획에 관한 이론적인 배경에 대한 내용을 설명 하고 실제적으로 이터븀 자기광포획이 어떻게 만들어지고 포획된 원자의 특성을 설명한 후 자기광포획의 효율이 증가됨을 보이고 있다.
$^1$S$_{0}$-$^1$P$_{1}$ 전이선을 이용한 자기광포획에서 여기 상태인 $^{1}\rm{P}_{1}$에서 빛을 내면서 준안정 상태로 손실되는 원자는 광포획되는 원자의 갯수를 낮추고 광포획된 원자의 포획 수명을 제한하게 된다. 이 때 $(6s6p)^{3}\rm{P}_{2,0}$ 로 손실되는 원자를 리펌핑 레이저를 이용하여 제거함으로써 이터븀 자기광포획의 효과가 증대함을 볼 수 있다. 이 때 포획된 원자의 갯수는 $^{1}$S$_{0}$-$^{1}$P$_{1}$ 전이에서 발생되는 자발방출된 형광신호를 광수집장치를 통하여 광자의 갯수를 측정하고 이를 통해 포획된 원자의 갯수를 알 수 있게 된다. 포획광의 세기를 변화시키면 여기 상태의 원자 갯수가 변화게 되고 여기 상태의 원자 갯수에 비례하는 준안정 상태로의 손실양을 알 수 있게 된다.
여기서 $^{3}\rm{P}_{0}$-$^{3}S_{1}$ 전이선의 리펌핑광인 650-nm 레이저와
$^{3}\rm{P}_{2}$-$^{3}S_{1}$ 전이선의 리펌핑광인 770-nm 레이저는 준안정 상태의 원자를 여기시켜 $^3$S$_1$ 상태로 올라가게 되고 자발 방출 과정을 통해 $^3$P 상태로 이동하게 된다. 이 중 $^3$P$_1$ 상태의 원자는 다시 자발 광출 과정을 통해 기저 상태인 $^{1}$S$_0$ 상태로 이동하게 된다. 이 과정을 이용해서 리펌핑 레이저들의 유무에 따라서 빛을 내면서 준안정상태로 손실되는 양을 조절할 수 있다. 실험결과에서는 레이저의 세기를 포화 여기 상태보다 낮은 영역에서 실험을 하여 포획광의 세기가 여기 상태의 원자의 갯수와 선형적으로 비례하는 조건을 만족하는 영역에서 실험을 수 행하였다.
자기광포획된 원자가 정상 상태에서 리펌핑 레이저 두 개를 모두 사용하여 30\%정도 증가됨을 보이고 원자의 공급을 차단하여 측정한 포획된 원자의 수명은 2배정도 증가됨을 확인하였다. 이는 기존에 잘 알려진 결과인 원자의 포획된 양과 수명이 비례하는 관계와 어긋남이 있고 이는 원자의 포획과정에서 원자빔과 포획된 원자 사이의 충돌에 의한 영향으로 확인된다.
그리고 원자의 손실되는 원리를 원자의 형광신호가 포획된 원자가 손실되면서 발생되는 형광신호를 시간의 변화에 따라서 측정하여 확인하였다. 이 때 손실되는 양은 주변기체와의 충돌, 포획된 원자간의 충돌, 준안정 상태로 전이되어 발생되는 손실로 나눠 볼 수 있다. 이 때 준안정 상태로 떨어지는 원자의 갯수를 포획광의 세기를 통해 조절하고 이를 리펌핑 레이저의 유무를 조절하여 준안정 상태로 떨어지는 비율을 구할 수 있었다.
이런 결과는 리펌핑 레이저를 통해 포획 효율이 증가된 원자는 좀 더 많은 양을 단시간에 포획이 가능하므로 일반적인 원자실험이 밀리초 영역에서 일어나는 현상을 좀 더 효율적으로 관측할 수 있다. 그리고 원자빔을 이용한 자기광포획에 대한 이해를 높일 수 있게 되었다.
