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문제 정의
- 이러한 효과로 인하여 자기부준위 사이의 원자결맞음은 외부자기장의 크기와 방향에 따라 달라진다. 본 연구에서는 외부자기장에 의한 Hanle 스펙트럼의 변화를 조사하였다. x, y, z 방향으로 외부자기장을 가할 수 있도록 3쌍의 헬름홀쯔 코일을 제작하여 루비듐 증기 셀 중앙에 설치하였다.
제안 방법
- (a)과 같이 결합광(Fg = 3 → Fe =3)과 조사광(Fg =2 → Fe =3)으로 사용하여 85Rb의 D1 전이선에서 Λ-형 에너지 준위의 EIT 스펙트럼을 관측하였다.
- 85Rb D1 전이선에 결합광(Fg = 3 → Fe =3)과 조사광(Fg = 2 → Fe =3)을 이용하여 Λ-형 에너지 준위에서의 전자기 유도 투과 신호를 관측하고, 87Rb D1 전이선 Fg = 2 → Fe = 1에 축퇴되어 있는 2준위 에너지 준 위에서 Hanle 스펙트럼을 관측하였으며 레이저 출력과 외부 자기장에 따른 스펙트럼의 변화를 조사하였다.
- 87Rb원자의 D1 전이선에서 Λ-형 에너지 준위를 형성하기 위해 중심파장이 795 nm인 두 대의 서로 독립적인 외부 공진형 반도체 레이저를 준비하여 한 대는 결합광으로 Fg = 3 → Fe = 3준위에 고정하고 다른 하나는 조사광으로 Fg = 2 → Fe = 3준위의 주파수 근처에서 변화시키면서 스펙트럼을 얻을 수 있도록 하였다.
- Hanle실험을 위해서 외부 공진형 반도체 레이저의 주파수를 87Rb원자의 전이선(Fg = 2 → Fe =1)에 안정하고 그림2(b) 와 같은 장치에서 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 외부자기장에 의한 Hanle 스펙트럼의 변화를 조사하였다. x, y, z 방향으로 외부자기장을 가할 수 있도록 3쌍의 헬름홀쯔 코일을 제작하여 루비듐 증기 셀 중앙에 설치하였다. 여기서 z축 방향은 레이저 진행방향이고, x축은 수직이고 y축은 수평방향으로 표시하였다.
- 결합광 레이저와 조사광 레이저의 주파수는 각각 85Rb원자의 D1 전이선의 Fg = 3 → Fe = 3 전이선과 Fg = 2 → Fe = 1전이선에 공진하여 Λ-형 구도 전자기 유도 투과 구도를 만들었다.
- 두 종류의 증기 셀의 길이는 50 mm, 직경 25 mm이며, 상온에서 실험을 수행하였다. 결합광을 분리하고 조사광 만을 광검출기로 측정하기 위해서 위상 지연판을 이용하여 결합광과 조사광의 편광 방향이 서로 수직이 되도록 하였으며 편광 빔 분할기(polarizing beam splitter: PBS)를 이용하여 두 광을 겹치도록 정렬하였다. 이 때 각각 레이저의 주파수가 정확히 루비듐 원자 전이선에 있도록 하기 위해서 포화 흡수 분광과 레이저 주파수 안정화가 가능하도록 장치를 설치하였다.
- 광의 일부가 레이저로 되먹임 되는 것을 차단하기 위해 광차단기(Isolator)를 설치하였고 편광빔 분할기(polarizing beam splitter)를 이용하여 y-축 방향으로 선편광 된 광을 만들었으며, λ/2 위상지연판(λ/2-plate)을 이용하여 광의 세기를 조절하였다.
- 광의 일부가 레이저로 되먹임 되는 것을 차단하기 위해 광차단기(Isolator)를 설치하였고 편광빔 분할기(polarizing beam splitter)를 이용하여 y-축 방향으로 선편광 된 광을 만들었으며, λ/2 위상지연판(λ/2-plate)을 이용하여 광의 세기를 조절하였다. 균일한 외부 자기장을 만들어 주기 위하여 셀 주변에 솔레노이드 코일를 설치하였고, 레이저의 진행 방향(z-축 방향)과 나란한 방향으로 자기장을 가할 수 있도록 하였다. 지구 자기장 등과 같이 제어가 되지 않는 임의의 외부 자기장 제거하기 위해서 솔레노이드 코일 외부에 세 겹의 뮤-메탈 설치하였다.
- 지구 자기장 등과 같이 제어가 되지 않는 임의의 외부 자기장 제거하기 위해서 솔레노이드 코일 외부에 세 겹의 뮤-메탈 설치하였다. 또한 남아있은 잔류 외부 자기장에 의한 효과를 보정하기 위해 3쌍의 보정 코일을 설치하였으며, 보정 코일을 이용하여 외부 자기장을 가하여 외부 자기장의 변화에 따른 Hanle 스펙트럼의 변화를 조사하였다.
- 좁은 스펙트럼을 관측하기 위해서는 스펙트럼에 선폭이 확대되는 요인들의 효과를 최소화하여야 한다. 먼저, 실험에 사용된 두 레이저간의 상대 주파수 흔들림에 의한 선폭 확대를 최소화하기 위해서 본 연구에서는 Hanle 스펙트럼을 관측하였다. 그림 4(a)는 파라핀 코팅된 증기 셀에서 얻어진 Hanle 스펙트럼이다.
- 본 연구에서는 버퍼 가스를 포함한 증기 셀에 비해서 상대 적으로 분광 연구가 작게 되어 있는 파라핀 코팅된 루비듐원자 증기 셀을 이용하여 Rb D1전이선에서의 선형흡수 스펙트럼과 포화흡수 스펙트럼, 그리고 원자결맞음 분광 스펙트럼을 관측하고 특성을 분석하였다. 85Rb D1 전이선에 결합광(Fg = 3 → Fe =3)과 조사광(Fg = 2 → Fe =3)을 이용하여 Λ-형 에너지 준위에서의 전자기 유도 투과 신호를 관측하고, 87Rb D1 전이선 Fg = 2 → Fe = 1에 축퇴되어 있는 2준위 에너지 준 위에서 Hanle 스펙트럼을 관측하였으며 레이저 출력과 외부 자기장에 따른 스펙트럼의 변화를 조사하였다.
- 본 연구에서는 순수한 루비듐 셀과 파라핀 코팅된 증기 셀을 이용하여 Rb 원자 D1 전이선에서의 전자기 유도 투과 신호와 Hanle 스펙트럼을 관측하였다. 두 종류의 증기 셀에서 얻어진 EIT 스펙트럼의 선폭은 순수한 루비듐 증기 셀에서 7 MHz, 그리고 파라핀이 코팅된 셀에서 2.
- 결합광을 분리하고 조사광 만을 광검출기로 측정하기 위해서 위상 지연판을 이용하여 결합광과 조사광의 편광 방향이 서로 수직이 되도록 하였으며 편광 빔 분할기(polarizing beam splitter: PBS)를 이용하여 두 광을 겹치도록 정렬하였다. 이 때 각각 레이저의 주파수가 정확히 루비듐 원자 전이선에 있도록 하기 위해서 포화 흡수 분광과 레이저 주파수 안정화가 가능하도록 장치를 설치하였다.[8]
- 이 때 외부의 자기장을 가해주면 자기부준위의 에너지 이동이 일어나고 좌원편광과 우원편광 성분에 의한 이광자공명 조건을 만족하지 않게 된다. 이와 같은 원리를 이용하여 레이저 주파수의 변화없이 외부에서 가해주는 자기장의 세기와 방향을 변화시켜 Hanle 효과를 이용한 결맞음 밀도포획(coherent population trapping: CPT) 스펙트럼을 얻는다.
- 한편, 레이저들의 상대 주파수 흔들림에 의한 선폭확대를 줄이기 위해서 한대의 레이저를 이용하여 Hanle 스펙트럼을 측정하였다. Hanle 스펙트럼은 그림 2(a)와 같이 F = 2 → F’ =1 전이에서 초미세준위 속에 축퇴되어 있는 자기 부준위 사이의 이광자공명으로 Λ-형 구도에 의해 만들어진다.
대상 데이터
- 두 종류의 증기 셀의 길이는 50 mm, 직경 25 mm이며, 상온에서 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 일반 루비듐 원자 증기셀과 증기 셀 벽면이 파라핀으로 코팅된 증기 셀을 사용하였다. 두 종류의 증기 셀의 길이는 50 mm, 직경 25 mm이며, 상온에서 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 이러한 이유로 하나의 로렌지안 형태의 스펙트럼이 나오지 않고 이중구조를 갖는 스펙트럼을 얻게 된다. 같은 조건에서 증기 셀을 순수하게 루비듐만 들어있는 증기 셀로 교체하여 측정한 결과 선폭은 16 mG로 거의 동일함을 확인 할 수 있다. 하지만 이중구조가 관측되지 않더라도 전체적인 스펙트럼의 모양은 순수하게 루비듐만 들어있는 증기셀에서 관측된 신호와 비교해 보았을 때 그 모양은 로렌지안 형태가 아닌 삼각형태에 가깝다.
- 본 연구에서는 순수한 루비듐 셀과 파라핀 코팅된 증기 셀을 이용하여 Rb 원자 D1 전이선에서의 전자기 유도 투과 신호와 Hanle 스펙트럼을 관측하였다. 두 종류의 증기 셀에서 얻어진 EIT 스펙트럼의 선폭은 순수한 루비듐 증기 셀에서 7 MHz, 그리고 파라핀이 코팅된 셀에서 2.3 MHz로 측정되었다. 전체 스펙트럼의 특성은 파라핀이 코팅된 증기 셀의 사용하는 경우와 순수한 증기 셀과 차이가 없다는 것을 확인할 수 있었다.
- 두 종류의 증기 셀에서 얻어진 EIT 스펙트럼의 선폭은 순수한 루비듐 증기 셀은 2.7 MHz, 그리고 파라핀이 코팅된 셀은 2.3 MHz로 측정되었다 이 때 결합광의 출력은 11.2 mW이며 조사광의 출력은 10.7 Wμ였다.
- 신호의 크기가 다른 가장 큰 이유는 창의 상태에 따른 두 증기 셀의 투과도가 다르기 때문이다. 따라서 파라핀이 코팅된 증기 셀을 사용하는 경우 전체 스펙트럼에 있어서 순수한 증기 셀과 차이가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 앞에서 언급한 것과 같이 파라핀 코팅된 증기 셀은 원자와 증기 셀의 벽과의 충돌에 의한 효과에 영향을 주기 때문에 전체 스펙트럼의 모양에는 큰 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.
- 그림 5는 레이저 출력에 따른 Hanle스펙트럼을 측정한 것이다. 레이저 출력이 증가함에 따라서 전체 스펙트럼의 크기가 증가하며 좁은 선폭의 이중구조 스펙트럼이 뚜렷하게 관측되었다. 스펙트럼의 형태는 변하지 않지만 전체 스펙트럼의 선폭은 큰 변화를 보이고 있다.
- 순수하게 루비듐만 들어있는 셀의 경우 원자와 원자간의 충돌과 원자와 증기 셀 벽면과의 충돌에 의한 효과가 있으며, 셀의 벽면이 파라핀으로 코팅된 증기 셀은 원자와 원자간의 충돌은 있지만 원자와 증기 셀 벽면과의 충돌은 막아주는 효과가 있다. 실험 결과와 함께 이점을 고려해 보면 공진 전이선의 선폭을 확대시키는 주 원인은 증기 셀의 벽면과 원자간의 충돌에 의한 효과임을 확인할 수 있다. 원자결맞음 분광 스펙트럼의 형태와 선폭을 측정하였으며, 레이저 출력이 증가함에 따라서 전체 스펙트럼의 크기가 증가하며 좁은 선폭의 이중구조 스펙트럼이 뚜렷하게 관측되었다.
- 외부자기장에 의한 Hanle스펙트럼의 변화를 조사하였고, 원자와 레이저와의 상호작용에 따른 영향을 있어서 레이저의 편광과 외부자기장의 방향에 따라서 자기부준위 사이의 전이가 달라지는 것을 확인하였다.
- 실험 결과와 함께 이점을 고려해 보면 공진 전이선의 선폭을 확대시키는 주 원인은 증기 셀의 벽면과 원자간의 충돌에 의한 효과임을 확인할 수 있다. 원자결맞음 분광 스펙트럼의 형태와 선폭을 측정하였으며, 레이저 출력이 증가함에 따라서 전체 스펙트럼의 크기가 증가하며 좁은 선폭의 이중구조 스펙트럼이 뚜렷하게 관측되었다. 외부자기장에 의한 Hanle스펙트럼의 변화를 조사하였고, 원자와 레이저와의 상호작용에 따른 영향을 있어서 레이저의 편광과 외부자기장의 방향에 따라서 자기부준위 사이의 전이가 달라지는 것을 확인하였다.
- 그림 5(b)는 전체 스펙트럼의 선폭을 레이저 출력에 따라 분석한 결과이다. 이 결과로부터 Hanle스펙트럼의 선폭이 선형적으로 변하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 순수한 루비듐 원자를 이용한 원자결맞음 분광 스펙트럼에서 얻어진 결과와 일치한다.
- 따라서 x축 방향으로 남아있는 잔여 외부자기장과 반대방향으로 x축 방향으로 설치된 헬름홀쯔 코일에 의해서 자기장을 가해주면 좁은 선폭을 가진 Hanle스펙트럼을 얻게 된다. 이러한 결과는 외부에 자기장이 남아있으면 Hanle스펙트럼의 선폭이 확대되고, 크기가 줄어드는 결과를 보여주고 있음을 확인하는 것이다. 잔여 외부자기장이 존재하는 경우에 레이저와 원자와의 상호작용에 있어서 자기부준위 사이의 전이구도에 변화가 발생하면서 원자결맞음 정도에 변화가 생기는 것으로 이해된다.
- 이것은 앞에서도 언급한 것과 같이 잔여 외부자기장의 y축 방향 성분이 약 209 mG정도라는 것을 확인하는 것이다. 잔여 외부자기장을 상쇄시키는 방향으로 y축 방향으로 설치된 헬름홀쯔 코일에 의해서 자기장을 가해주었을 때, 좁고 Hanle신호를 얻을 수 있었다.
- 3 MHz로 측정되었다. 전체 스펙트럼의 특성은 파라핀이 코팅된 증기 셀의 사용하는 경우와 순수한 증기 셀과 차이가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 파라핀 코팅된 증기 셀에서 관측된 Hanle스펙트럼에서는 약 1.
후속연구
- 원자 결맞음 효과를 향상시키기 위해서는 증기 셀의 벽면을 코팅하고 추가적으로 외부 자기장을 걸어주어 외부 환경에 의한 효과를 줄여 주는 것이 필요하다. 앞으로 진행될 연구에서는 벽면이 파라핀으로 코팅된 증기 셀을 이용하여 증기 셀의 부피에 따른 스펙트럼의 선폭을 비교하고 증기 셀의 부피에 따른 원자 결맞음 효과와 증기 셀의 종류에 따른 효과를 분석할 예정이다.
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