Magneto-Optical Trap (MOT) is the one of the most well-known technology in atomic physics. Traditional 3D-MOT device consists of six laser beams and anti-Helmholtz coil. Six laser beams reduce kinetic energy of atoms, and special magnetic field generated by anti-Helmholtz coil produces spatial limitations for trapping. However, they have large and complex system. To make simple system, pyramidal MOT using pyramidal mirror was proposed, and they produce simplicity. But size of pyramidal mirror was limited by mechanical limitation of fabrication. Alignment of mirror and coil was also problem.
In this research, pyramidal micro-mirror integrated with anti-Helmholtz based on MEMS fabrication was developed to solve problems. Pyramidal micro-mirror was produced using anisotropic bulk-etching of Si. And anti-Helmholtz coil was integrated using lithography and Cu electroplating. And then, optical performance of pyramidal micro-mirror and electromagnetic performance of anti-Helmholtz coil were measured to verify usability for MOT experiment.
Reflectance of pyramidal mirror was measured indirectly with surface roughness, and its value was 12.5 nm. Then, Au and $MgF_2$ coated on mirror to improve reflectance for 780 nm laser beam. Coated pyramidal mirror had enough reflectance, more than 95 % compared to commercialized mirror. Magnetic field gradient of fabricated coil was greatly similar to theoretical analyzed data. As a result, fabricated mirror system has impressive usability for MOT.
최근 극초저온 원자 냉각 실험장치에 대한 관심이 커짐에 따라 자기광포획 (Magneto-Optical Trap, MOT) 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 3D-MOT 장치는 x, y, z 축 각각 2개씩, 총 6개 방향의 레이저 빔과 anti-Helmholtz 코일이라는 특수한 코일 쌍으로 이루어져 있다. 가운데에서 중첩되는 레이저 빔으로 원자의 운동에너지를 억제하고, anti-Helmholtz 코일이 만드는 자기장으로 공간적 제한을 만들어 원자를 포획하게 된다. 하지만 기존의 3D-MOT 장치는 크기가 크고 복잡하며 6개 방향의 레이저 빔을 안정적으로 제어하기가 어렵다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 피라미드형 MOT가 제시되었으나 기계적으로 가공되는 피라미드형 미러를 소형화하는 데에 한계점이 있어 일정 이상으로 장비를 작게 만들 수 없어 상용화에 어려움이 있다. 뿐만 아니라 미러를 작게 만든다 할지라도 기존의 anti-Helmholtz 코일과 정렬하기가 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 MEMS 공정을 기반으로 하여 anti-Helmholtz 코일이 집적된 피라미드형 마이크로 미러를 개발하는 연구를 진행하였다. 리쏘그래피, bulk-etching, 도금 등을 이용한 공정을 설계하였으며, 실험을 통해 각 공정 조건을 확립했다. 크게 525 um 두께의 실리콘 웨이퍼와 1000 um 두께의 실리콘 웨이퍼를 이용하여 공정했다. 먼저 실리콘의 결정 구조 특성을 이용한 비등방성 bulk-etching 공정을 통해 각 웨이퍼에 700 ～ 800 um, 1400 ～ 1500 um 크기의 피라미드형 마이크로 미러를 제작했다. 또한 Cu 도금을 이용하여 두께 25 um, 반지름이 각각 750 um, 1400 um 인 anti-Helmholtz 코일을 피라미드형 마이크로 미러 위에 집적하였다. 코일을 공정할 때, 정확하게 정렬하여 미러와 코일이 생성하는 자기장이 자체적으로 정렬될 수 있도록 했다.
이렇게 공정된 시스템이 실제 MOT에 사용될 수 있을지를 검증하기 위해 먼저 피라미드형 미러의 반사율을 측정했다. 하지만 크기가 작고 안쪽으로 파여져 있는 형태이기 때문에 직접적으로 반사율을 측정하기가 어려웠다. 따라서 반사율과 밀접한 관계가 있는 표면 거칠기를 먼저 측정하여 간접적으로 검증했다. 피라미드형 미러의 단면의 표면 거칠기를 측정한 결과 평균적으로 12.5 nm 정도였고, 이는 MOT에 사용되는 레이저 빔의 파장인 780 nm 의 1/10, 즉 78 nm 의 약 1/6 수준으로 미러로써의 가능성을 확인했다. 나아가서 780 nm 레이저 빔에 대해 반사율을 증가시키기 위해 Au와 $MgF_2$ 를 미러 면에 증착하여 코팅했다. 그 후 780 nm 레이저 빔을 이용한 반사율 측정 실험 장치를 설계하고 입사각 $45^\circ$ 에 대해 반사율을 측정해 본 결과 상용화된 미러의 성능 대비 95 % 이상의 반사율을 가졌다.
anti-Helmholtz 코일의 경우, 이론적인 자기장 구배와 얼마나 유사하게 자기장을 생성하는지를 평가하였다. 일반적으로 MOT에 필요한 자기장 구배는 10 ～ 15 G/cm 이며, 이 자기장 구배를 생성하기 위해 이론적으로 anti-Helmholtz 코일에 필요한 전류는 각 두께의 샘플에 대해 0.057 ～ 0.085 A, 0.197 ～ 0.295 A이다. 각 코일의 크기에 따라 적당한 간격으로 전류의 세기를 증가시켜 가며 코일의 양쪽 끝단의 자기장을 측정하고, 차이 값을 샘플의 두께로 나누어 자기장 구배를 측정했다. 이렇게 측정한 결과 각각 0.057 ～ 0.081 A, 0.205 ～ 0.287 A로 이론적 결과와 굉장히 유사하다. 따라서 MOT에 충분히 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 개발된 시스템을 개선하여 실제 MOT 실험에 사용하여 원자를 포획할 계획이다. 이를 통해 기존 피라미드형 MOT 장비가 소형화, 간소화되며 나아가서 MOT를 이용한 원자 간섭계 등의 상용화까지 가능할 것으로 기대된다.
