najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1322Research ArticlePHYSICSФИЗИКАSub-doppler laser cooling of thulium atoms in a magneto-optical trap and trapping thulium atoms in a magnetic trap with low gradient of magnetic field.Субдоплеровское лазерное охлаждение атомов тулия в магнито-оптической ловушке и магнитное удержание атомов тулия в низкоградиентной магнитной ловушкеСукачевД. Д.SukachevD. D.sukachev@gmail.comСоколовА. В.SokolovA. V.КолачевскийН. Н.KolachevskyN. N.КалгановаЕ. С.KalganovaE. S.АкимовА. В.AkimovA. V.СорокинВ. Н.SorokinV. N.Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)»РоссияP.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Science; Moscow Institute of Physics and Technology (State University)Russian Federation20122008202531125131Copyright © Sukachev D.D., Sokolov A.V., Kolachevsky N.N., Kalganova E.S., Akimov A.V., Sorokin V.N., 20252025Сукачев Д.Д., Соколов А.В., Колачевский Н.Н., Калганова Е.С., Акимов А.В., Сорокин В.Н.Sukachev D.D., Sokolov A.V., Kolachevsky N.N., Kalganova E.S., Akimov A.V., Sorokin V.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/1322

We have studied sub-Doppler laser cooling of thulium atoms in a magneto-optical trap (MOT) operated at 410.6 nm. Without any additional sub-Doppler cooling cycles the sub-Doppler temperature of 25(5) microK have been achieved (the number of atoms was 3 x 106). This temperature is one order of magnitude lower than the Doppler limit for used transition (240 microK). The high efficiency of sub-Doppler cooling is accounted for by equality of Lande g-factors of high and lower levels of cooling transition. We have implemented trapping of ultracold thulium atoms in a magnetic trap (MT) formed by a MOT quadruple magnetic field (field gradient is about 20 G/cm). Loading of MT has been performed from the cloud contained thulim atoms previously cooled in the MOT down to the sub-Doppler temperature of 80 microK. About atom have been trapped in MT at the temperature 40 microK. By analysing MTpopulation decay process the lifetime has been determined (0.5 s) and the constrain on the rate constant of inelastic binary collision of spin-polarized thulim atoms in the ground state (cms) has been imposed.

Экспериментально исследован процесс субдоплеровского охлаждения атомов тулия в магнито-оптической ловушке (МОЛ), работающей на длине волны 410,6 нм. Без применения специального цикла субдоплеровского охлаждения достигнута температура 25(5) мкК при числе атомов 3×106, что существенно ниже доплеровского предела для данного перехода (240 мкК). Высокая эффективность субдоплеровского охлаждения обуславливается близкими значениями g-факторов Ланде нижнего и верхнего уровней, задействованных в процессе лазерного охлаждения. Осуществлен захват ультрахолодных атомов тулия в магнитную ловушку (МЛ), об    разованную квадрупольным магнитным полем МОЛ (градиент поля 20 Гс/см). Загрузка атомов в МЛ осуществлена из облака, содержащего 4 × 105 атомов, предварительно охлажденных в МОЛ до субдоплеровской температуры 80 мкК. В МЛ захвачено 4 × 104 атомов при температуре 40 мкК. По характеру распада населенности в ловушке определено время жизни (0,5 с) и наложено ограничение на константу скорости неупругих бинарных столкновений спин-поляризованных атомов тулия в основном состоянии 𝑔𝑖𝑛 < 10−11 см3с−1.

лазерное охлаждениемагнито-оптическая ловушкамагнитная квадрупольная ловушкамагнитное диполь-дипольное взаимодействиеатом тулиясуб-доплеровское охлаждениеlaser coolingmagneto-optical trapmagnetic quadruple trapmagnetic dipole-dipole interactionthulium atomsub-Doppler laser coolingРабота выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований молодых российских ученых — докторов наук (МД-669.2011.8), РФФИ (грант 12-02-01266-а) и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Экстремальные световые поля и их приложения».ReferencesSukachev D., Sokolov A., Chebakov K. et al., Magneto-optical trap for thulium atoms // Phys. Rev. A. — 2010. — 82. — P.011405-011408 (R).Sukachev D., Sokolov A., Chebakov K. et al., Magneto-optical trap for thulium atoms // Phys. Rev. A. — 2010. — 82. — P.011405-011408 (R).Kolachevsky N., Akimov A., Tolstikhina I. et al., Blue laser cooling transitions in Tm I // Appl. Phys. B. — 2007. — 89. — P. 589-594.Kolachevsky N., Akimov A., Tolstikhina I. et al., Blue laser cooling transitions in Tm I // Appl. Phys. B. — 2007. — 89. — P. 589-594.Овсянников В.Д., частные обсуждения.Овсянников В.Д., частные обсуждения.Takamoto M., Hong F.-L., Higashi R. and Katori H., An optical lattice clock // Nature. — 2005. — 435. — P. 321-324.Takamoto M., Hong F.-L., Higashi R. and Katori H., An optical lattice clock // Nature. — 2005. — 435. — P. 321-324.Giovanazzi S., Gorlitz A., Pfau T. Tuning the Dipolar Interaction in Quantum Gases // Phys. Rev. Lett. — 2002. — 89. — P. 130401-130404.Giovanazzi S., Gorlitz A., Pfau T. Tuning the Dipolar Interaction in Quantum Gases // Phys. Rev. Lett. — 2002. — 89. — P. 130401-130404.Lewenstein M., Sanpera A., Ahufinger V., Ultracold atomic gases in optical lattices: mimicking condensed matter physics and beyond // Adv. in Phys. — 2007. — 56. — P. 243 379.Lewenstein M., Sanpera A., Ahufinger V., Ultracold atomic gases in optical lattices: mimicking condensed matter physics and beyond // Adv. in Phys. — 2007. — 56. — P. 243 379.Lahaye T., Menotti C., Santos L. et al. The physics of dipolar bosonic quantum gases // ReP. Prog. Phys. — 2009. — 72. — P. 126401-126441Lahaye T., Menotti C., Santos L. et al. The physics of dipolar bosonic quantum gases // ReP. Prog. Phys. — 2009. — 72. — P. 126401-126441Griesmaier A., Werner J., et al. Bose-Einstein Condensation of Chromium // Phys. Rev. Lett. — 2005. — 94. — P. 160401-160404.Griesmaier A., Werner J., et al. Bose-Einstein Condensation of Chromium // Phys. Rev. Lett. — 2005. — 94. — P. 160401-160404.Lahaye T., Koch T., Frohlich B. et al. Strong dipolar effects in a quantum ferrofluid // Nature. — 2010. — 448. — P. 672-675Lahaye T., Koch T., Frohlich B. et al. Strong dipolar effects in a quantum ferrofluid // Nature. — 2010. — 448. — P. 672-675Pu H., Zhang W., Meystre P. Ferromagnetism in a Lattice of Bose-Einstein Condensates // Phys. Rev. Lett. — 2001. — 87. — P. 140405-140408.Pu H., Zhang W., Meystre P. Ferromagnetism in a Lattice of Bose-Einstein Condensates // Phys. Rev. Lett. — 2001. — 87. — P. 140405-140408.Campbell G.K., Mun J., Boyd M. et al., Imaging the Mott Insulator Shells by Using Atomic Clock Shifts // Science. — 2006. — 313. — P. 649-652.Campbell G.K., Mun J., Boyd M. et al., Imaging the Mott Insulator Shells by Using Atomic Clock Shifts // Science. — 2006. — 313. — P. 649-652.Youn S. H., Lu M., Ray U., Lev B. L. Dysprosium magneto-optical traps // Phys. Rev. A. — 2010. — 82. — P. 043425-043436.Youn S. H., Lu M., Ray U., Lev B. L. Dysprosium magneto-optical traps // Phys. Rev. A. — 2010. — 82. — P. 043425-043436.Сукачев Д. Д., Соколов А. В., Чебаков К. А. и др . Субдоплеровское охлаждение атомов тулия в магнито-оптической ловушке // Письма в ЖЭТФ. — 2010. — 92. — С. 772-776.Сукачев Д. Д., Соколов А. В., Чебаков К. А. и др . Субдоплеровское охлаждение атомов тулия в магнито-оптической ловушке // Письма в ЖЭТФ. — 2010. — 92. — С. 772-776.Berglund A. J., Lee S. A., McClelland J. J. Sub-Doppler laser cooling and magnetic trapping of erbium // Phys. Rev. A. — 2007. — 76. — P. 053418-053422.Berglund A. J., Lee S. A., McClelland J. J. Sub-Doppler laser cooling and magnetic trapping of erbium // Phys. Rev. A. — 2007. — 76. — P. 053418-053422.Dalibard J., Cohen-Tannoudij C. Laser cooling below the Doppler limit by polarization gradients: simple theoretical models // J. Opt. Soc. Am. B. — 1989. — 6. — P. 2023-2045.Dalibard J., Cohen-Tannoudij C. Laser cooling below the Doppler limit by polarization gradients: simple theoretical models // J. Opt. Soc. Am. B. — 1989. — 6. — P. 2023-2045.Walhout M., Dalibard J., Rolston S., Phillips W. D. ??+ ? ???. Optical molasses in a longitudinal magnetic field // J. Opt. Soc. Am. B. — 1992. — 9. — P. 1997-2007.Walhout M., Dalibard J., Rolston S., Phillips W. D. ??+ ? ???. Optical molasses in a longitudinal magnetic field // J. Opt. Soc. Am. B. — 1992. — 9. — P. 1997-2007.Walhout M., Sterr U., and Rolston S. L., Magnetic inhibition of polarization-gradient laser cooling in 𝜎+ − 𝜎−optical molasses // Phys. Rev. A. — 1996. — 54. — P. 2275-2279.Walhout M., Sterr U., and Rolston S. L., Magnetic inhibition of polarization-gradient laser cooling in 𝜎+ − 𝜎−optical molasses // Phys. Rev. A. — 1996. — 54. — P. 2275-2279.Raab E. L., Prentiss M., Cable A. et al., Trapping of Neutral Sodium Atoms with Radiation Pressure // Phys. Rev. Lett. — 1987. — 59. — P. 2631-2634.Raab E. L., Prentiss M., Cable A. et al., Trapping of Neutral Sodium Atoms with Radiation Pressure // Phys. Rev. Lett. — 1987. — 59. — P. 2631-2634.Летохов В. С., Миногин В. Г., Павлик Б. Д. // ЖЭТФ. — 1977. — 72. — C. 1328.Летохов В. С., Миногин В. Г., Павлик Б. Д. // ЖЭТФ. — 1977. — 72. — C. 1328.Sukachev D., Chebakov K., Sokolov A., Akimov A., Kolachevsky N., Sorokin V. Laser cooling of thulium atoms // Оптика и спектроскопия. — 2011. — 111. — С. 669–674.Sukachev D., Chebakov K., Sokolov A., Akimov A., Kolachevsky N., Sorokin V. Laser cooling of thulium atoms // Оптика и спектроскопия. — 2011. — 111. — С. 669–674.Chebakov K., Sokolov A., Akimov A., et al. Zeeman slowing of thulium atoms // Opt. Lett. — 2009. — 34. — P. 2955-2957.Chebakov K., Sokolov A., Akimov A., et al. Zeeman slowing of thulium atoms // Opt. Lett. — 2009. — 34. — P. 2955-2957.Сукачев Д.Д., Соколов А.В., Чебаков К.А., Акимов А.В., Колачевский Н.Н., Сорокин В.Н. Магнитная ловушка для атомов тулия // Квант. Электроника. — 2011. — 41. — C. 765–768.Сукачев Д.Д., Соколов А.В., Чебаков К.А., Акимов А.В., Колачевский Н.Н., Сорокин В.Н. Магнитная ловушка для атомов тулия // Квант. Электроника. — 2011. — 41. — C. 765–768.Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.Hensler S., Werner J., Griesmaier A. et al. Dipolar relaxation in an ultra-cold gas of magnetically trapped chromium atoms // Appl. Phys. B. — 2003. — 77. — P. 765-772.Hensler S., Werner J., Griesmaier A. et al. Dipolar relaxation in an ultra-cold gas of magnetically trapped chromium atoms // Appl. Phys. B. — 2003. — 77. — P. 765-772.Connolly C. B., Au Y. S., Doret S. C. et al. Large spin relaxation rates in trapped submerged-shell atoms // Phys. Rev. A. — 2010. — 81. — P. 010702-010705.Connolly C. B., Au Y. S., Doret S. C. et al. Large spin relaxation rates in trapped submerged-shell atoms // Phys. Rev. A. — 2010. — 81. — P. 010702-010705.Newman B. K., Brahms N., Au Y. S. et. al. Magnetic relaxation in dysprosium-dysprosium collisions // Phys. Rev. A. — 2011. — 83. — P. 012713-012717.Newman B. K., Brahms N., Au Y. S. et. al. Magnetic relaxation in dysprosium-dysprosium collisions // Phys. Rev. A. — 2011. — 83. — P. 012713-012717.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.