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Rydberg原子を用いた暗黒物質axionこの探索実験

使用里德伯原子的暗物质轴子探索实验

基本信息

批准号：
00J03540
负责人：
山田悟
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

暗黒物質アクシオン探索の手法は、共振空洞内に強磁場を印可しプリマコフ効果によりアクシオンをマイクロ波に転換させ、その微弱なマイクロ波を検出するというのが一般的である。本研究ではこの微弱マイクロ波検出にRydberg原子を用いることにより、高感度な単一光子検出を行うということが特徴である。具体的には空洞の共振周波数に等しい準位間エネルギーを持ったRydberg原子を空洞内に導入してマイクロ波を吸収させる、ということを行っている。このことから測定装置のアクシオンに対する感度は、共振空洞中のマイクロ波とRydberg原子との相互作用の振る舞いによって大きく左右される。2準位系としてのRydberg原子と共振空洞との相互作用は空洞量子電磁気学を用いて計算される。実際の実験装置においてはRydberg原子のエネルギー準位は空洞中の浮遊電場(Stark shift)、磁場と速度(Motional Stark effect)等によって変化し、結果としてマイクロ波の吸収効率も変化するため、空洞中を通過したRydberg原子の励起効率を様々なパラメータを変化させて計算し、実験装置のアクシオンに対する感度を得るために必要な値を得た。また、アクシオンを光子に転換するには強力な磁場をかけることが必要である。本研究の実験装置ではこの磁場の強さは最大7テスラにも達する。一方で共振空洞中のマイクロ波を検出するために導入するRydberg原子は強磁場下ではMotional Stark effectやゼーマン効果によるエネルギー準位のシフトを起こし、マイクロ波との共鳴状態が崩れてしまう。このためRydberg原子ビームパス上をNbとNbTiを用いて覆い、これらを超伝導状態にすることにより外部からの磁場を遮蔽できることを確認した。

The method of exploring dark matter is the same as detecting weak magnetic waves when a strong magnetic field is printed in a resonant cavity. In this study, the weak wave detection, Rydberg atom detection, and high sensitivity photon detection were investigated. The specific cavity resonance cycle number is equal to the level of the cavity. The Rydberg atom is introduced into the cavity. The sensitivity of the resonance cavity and the interaction between the Rydberg atoms are measured by the resonance cavity and the resonance cavity. 2. The Rydberg atom resonance and the interaction of the quantum electromagnetism of the cavity are calculated in detail. In the actual implementation of the device, the generation level of Rydberg atoms is changed to the floating electric field (Stark shift), the magnetic field and the velocity (Motional Stark effect) in the cavity, and the absorption efficiency of the wave is changed. The excitation efficiency of Rydberg atoms in the cavity is changed to calculate and obtain the necessary sensitivity of the device. A strong magnetic field is necessary for a photon to change. The magnetic field strength of the experimental device reaches a maximum of 7 degrees. The resonance state of a cavity is induced by a strong magnetic field. The Rydberg atom is on the Nb and NbTi surface, and the superconducting state is on the Nb and NbTi surface.