중성 원자 기반 편집하기 (부분)

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==포획 기술==
여기서 포획 기술은 저온으로 냉각된 원자들을 레이저와 자기장으로 이루어진 일종의 그릇(conservative potential)에 담는 기술로, 중성 원자를 이용한 양자 시뮬레이션에서 핵심적인 기술이다. 진공중에서 정전기장이나 정자기장을 이용해 원자를 가두는 것은 자명하지 않기 때문에 ([[wikipedia:Earnshaw's_theorem|Earnshaw's theorem]] 참조) 여러 가지 아이디어들이 고안되어 왔다. 현재 가장 널리 사용되는 방법은 자기장을 이용하는 방법과 광학적 방법을(레이저) 이용하는 방법이다. 자기장은 대체적으로 덜 정교하지만, 주어진 자원에서 효율적으로 큰 부피와 깊이를 가지는 퍼텐셜을 형성할 수 있어서 초저온으로 냉각하는 중간 단계에서 많이 사용한다. 광학적 방법을 이용하면 광격자나 홀로그램을 이용한 광집게와 같이 정교한 기술을 사용할 수 있어서 양자 시뮬레이션에 사용한다. 
===자기장===
다양한 코일을 사용하여 자기장의 국소적인 극값(local extreama)을 진공 중에 만들면 제이만 효과에 의해 에너지($$U_Z$$)가 낮은 극값을 중심으로 포획되는 원리이다. 원자의 상태에 따라서 자기 모멘트가 달라지며, 포획이 여부가 결정된다. 여러 가지 아이디어들이 제안되어 왔고 그 중 3가지를 아래에서 소개한다.

====시간 평균 회전 (Time-averaged Orbiting Potential; TOP) 포획법====

[[File:기술백서 전체수정_48_편집.jpg|thumb|right|400px|시간 평균 회전(TOP) 포획 법. (좌) 자기 사중극 포획 우물을 회전시켜 원자를 포획한다. (우) 보즈 아인슈타인 응축 실험에 사용된 시간 평균 회전 포획 코일. 참조문헌의 그림을 재구성함.<ref name="Anderson">Anderson, M. H., Ensher, J. R., Matthews, M. R., Wieman, C. E., &amp; Cornell, E. A., Observation of Bose-Einstein condensation in a dilute atomic vapor, Science '''269''', 198 (1995). doi:[https://doi.org/10.1126/science.269.5221.198 10.1126/science.269.5221.198]. </ref> ]]

[[File:기술백서 전체수정_49.jpg|right|thumb|290px|보즈 아인슈타인 응축에 사용되는 포획 우물들. (좌상) Plug beam을 이용한 포획 우물<ref name="Davis2">Davis, K. B., Mewes, M. O., Andrews, M. R., van Druten, N. J., Durfee, D. S., Kurn, D. M., &amp; Ketterle, W., Bose-Einstein condensation in a gas of sodium atoms, Physical Review Letters '''75''', 3969 (1995). doi:[https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.3969 10.1103/PhysRevLett.75.3969].</ref>. (우상) Ioffe type trap<ref name="Ernst">Ernst, U., Marte, A., Schreck, F., Schuster, J., &amp; Rempe, G., Bose-Einstein condensation in a pure Ioffe-Pritchard field configuration, EPL (Europhysics Letters) '''41''', 1 (1998). doi:[https://doi.org/10.1209/epl/i1998-00107-2 10.1209/epl/i1998-00107-2].</ref>. (좌하) Clover leaf type trap<ref name="Townsend">Townsend, C., Ketterle, W., &amp; Stringari, S., Bose-Einstein condensation, Physics World '''10''', 29 (1997).</ref>. (우하) QUIC trap.<ref name="Esslinger">Esslinger, T., Bloch, I., &amp; Hänsch, T. W., Bose-Einstein condensation in a quadrupole-Ioffe-configuration trap, Physical Review A '''58''', R2664 (1998). doi:[https://doi.org/10.1103/PhysRevA.58.R2664 10.1103/PhysRevA.58.R2664].</ref> 각 참조문헌의 그림을 재구성함.]]

광자기 포획에 사용한 반-헬름홀츠(anti-Helmholtz) 코일을 이용하여 자기 사중극 포획 우물(Mangetic Quadrupole Potential)을 생성한다. 이 포획 우물을 원자의 스핀이 뒤집히는 속도보다 빠르게 회전시키면 원자가 지속적으로 포획되게 되고, 시간 평균으로 보면 자기장이 완벽히 상쇄되는 곳이 없는 포획 우물이 생성되어 마요라나 스핀 플립에 의한 손실을 막을 수 있다.

====Ioffe-type Trap ====
DC 자기장을 이용하여 자기장이 0인 점이 없게 만든 포획법이다. 이 방법은 Clover leaf trap과 단순화 한 QUIC(Quadrupole Ioffe Configuration) 트랩으로 발전되었다.
====Plug Beam Trap====
강한 공명 주파수 보다 짧은 파장의 레이저(Blue detuned laser)를 자기 사중극 포획 우물 가운데에 조사하여 자기장이 0인 부근에 원자가 접근하지 못하도록 하는 포획법이다.

===광집게 (Optical tweezer) ===
레이저를 강하게 집속하여 원자 구름이나 단 원자를 포획하는 방법을 광집게(optical tweezer)라고 일컫는다. 이는 앞서 언급한 슈타르크 효과의 원리를 통해 이해할 수 있다. 광학 및 레이저 분야에서 연구된 방법론을 활용하여 다양한 모양의 퍼텐셜을 만들 수 있으며, 이를 양자 시뮬레이션에 활용한다.

기본적인 방법은 레이저 빔을 광학계를 이용하여 강하게 집속시키고 여기에 원자를 가두는 것이다. 양자 시뮬레이션을 위해서는 회절 한계 (~1 um)에 준하는 길이 스케일의 정교한 엔지니어링이 필요하다. 초기에는 일반적인 레이저 공진기나 광섬유에서 나오는 빛의 공간모드를 그대로 이용 했었고, 최근에는 이러한 레이저빔을 여러 가지 방식의 빛 공간 변조기 (spatial light modulator)와 회절 한계 성능을 내는 고성능 광학계를 사용하여 원하는 모양의 퍼텐셜을 인가할 수 있다.     
===광격자 (Optical lattice)===
광격자를 이용한 극저온 중성 원자는 고체물질 연구에서 제시된 수 많은 아이디어들을 상대적으로 이상적인 (단순한 해밀토니언, 외부와의 격리 등) 상황에서 시험해볼 수 있는 플랫폼이라 할 수 있다. 중성 원자를 이용한 양자시뮬레이션의 많은 경우가 바로 광격자를 사용하기 때문에 매우 중요한 개념이다.

빛의 간섭 현상을 이용하여 공간상에 주기적인 격자를 만들 수 있는데, 이를 광격자라고 한다. 원자를 포획하는 원리는 광집게와 동일하며, 광집게의 하위 개념으로 생각 할 수 있다. 예를 들어, 한 축에서 서로 마주한 레이저의 경우 1차원 격자를, 두 축에서 조사된 레이저의 경우 2차원 격자를 만들 수 있으며, 3축에서 각각 서로 마주한 레이저를 조사하게 되면 3차원 격자를 만들 수 있다. 또한 레이저 간의 각도를 조절하게 되면 격자의 간격을 조절할 수 있으며 레이저의 세기로 격자의 포획 깊이를 조절하게 된다.

[[File:중성원자_광격자.png|none|thumb|695px|광격자의 형성. 화살표는 각각 인가한 레이저의 진행 방향을 나타낸다. A와 같은 하나의 가우시안 빔을 되반사 시키면 B와 같이 정상파를 이루고 광격자를 형성하게 되고 이를 1차원 광격자라 한다. 수직한 방향으로 다른 레이저를 추가하면 C와 같이 2차원 광격자를 만들 수 있다. D는 일반적으로 실험에서 사용 되는 파라미터에서의 광격자의 모습이며, A-C는 이해를 돕기 위한 그림이다.]]

광격자의 간격은 사용한 레이저의 파장과 간섭하는 방식에 의해 결정되며, 레이저 파장의 절반 정도인 약 500 nm가 최소 간격으로 같은 고체 상태의 물질이 구성하는 옴스트롱 단위의 격자구조에 비해 매우 넓다. 하지만 중성 원자 기체는 극저온으로 냉각이 가능하기 때문에 매우 얕은 깊이의 광격자(<< 1 mK)에 원자들을 포획 할 수 있으며, 양자 터널링이 원자 움직임의 주요한 매커니즘이 된다.

대부분의 광격자는 빛의 정상파를 이용하여 생성하며, 레이저의 파장을 안정화 하는 기술이 매우 잘 발달했기 때문에 깨끗한 광격자를 쉽게 만들 수 있다. 간섭 현상을 다방면으로 응용하여 삼각 격자, 육방 격자 등 흥미로운 형태의 격자를 생성할 수 있다. 또한 원자가 움직이는 시간 스케일(약 1ms)에 비해 레이저를 빠르게 (1 μs) 변조할 수 있고, 이를 활용하여 더 확장된 형태의 해밀토니언을 (게이지 장, 플로케 이론, Floquet theory) 시뮬레이션 할 수도 있다.

참고: [https://www.youtube.com/watch?v=agCN5eM7Aoo 광격자 데모 영상]

요약:

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