중성 원자 기반 편집하기 (부분)

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==중성 원자 실험의 요소==
===진공 챔버 및 원자 소스===
역사적으로 아래 소개하는 두 가지 방식이 많이 사용 되어왔다. 중성 원자를 이용한 센서, 시뮬레이션 등의 활용가치가 높아지면서 진공 챔버와 원자 소스를 결합하는 다양한 방법들이 개발되고 있다.

==== 이중 챔버 시스템 ====
[[File:중성원자 Double chamber.png|none|thumb|390px|이중 챔버 시스템의 모식도 (출처 KRISS)]]
혹은 이중 광자기 포획(Double MOT) 시스템이라고 한다. 다른 진공도를 갖는 두 개의 진공 챔버를 연결하여 제작한다. 낮은 진공도에서는 많은 수의 원자를 광자기 포획을 이용하여 포획, 냉각을 하고, 고 진공의 챔버에서는 낮은 진공에서 포획한 차가운 원자를 이동, 재 포획한 후 보즈-아인슈타인 응축을 제작한다. 일차 광자기 포획에서 고 진공 챔버로 보내는 방법으로는 공명 레이저를 이용하여 원자에 운동량을 주어 보내는 방법, 광학 트위저를 이용하여 보내는 방법, 자기장 코일을 움직이거나 순차적으로 작동하여 원자를 보내는 방법 등이 사용된다. 일차 포획용 챔버에는 낮은 용량의 진공펌프를 사용하고, 이차 포획용 챔버에는 높은 용량의 진공펌프를 연결하고, 두 챔버는 가는 관으로 연결하여 서로 다른 진공도를 유지할 수 있게 된다.

==== 제이만 감속기 (Zeeman Slower, Zeeman Decelerator) ====
[[File:중성원자 지만슬로워.png|none|thumb|290px|원자빔을 감속시키기 위한 제이만 감속기. 약 1미터 길이의 솔레노이드 형태의 전자석이 도플러 효과를 상쇄하는 자기장을 생성한다. (출처 KAIST)  ]]
고온의 원자 빔을 저온의 원자 빔으로 냉각하는 장치로 고 진공 챔버에서 저온의 원자를 포획하는데 사용된다. 원자가 통과하는 원통에 잘 디자인된 자기장을 걸어주고(일반적으로 다양한 밀도로 코일을 감아서 완성한다.) 원자 빔의 반대 방향으로 냉각 레이저를 조사함으로 완성된다. 자기장에 따라 일차 제이만 효과에 의해 원자의 에너지 레벨의 간격이 변하게 되고, 냉각 레이저와 공명 에너지의 주파수 차이, 도플러 효과에 의해 고온의 원자 빔이 저온으로 냉각되게 된다.

===레이저===
[[File:중성원자 2레벨.png|none|thumb|2-준위 원자와 레이저의 상호작용. g, e는 각각 바닥 상태와 여기 상태, γ, Ω, Δ는 각각 여기 상태의 붕괴속도, 레이저-원자 상호 작용 세기, 레이저-원자 주파수 차이를 의미한다.|222x222px|오른쪽]]흔히 레이저는 가시광 근처의 파장을 이야기하며 이 대역에서 광자의 운동량은 기체상태의 원자에 상당한 운동량 변화를 줄 수 있다. 이를 잘 활용하여, 레이저 냉각, 레이저 포획 등으로 활용할 수 있다. 레이저와 원자의 상호작용은 공명 여부에 따라 크게 두 가지 다른 양상을 보인다. 이는 2-준위 (two-level system)을 이용해 이해할 수 있으며, 이를 확장하면 수 많은 준위가 존재하는 원자와 레이저의 상호작용을 이해할 수 있다.

* '''공명 ( Ω>> γ, Δ)''' 에너지 간격에 맞는 레이저를 가할 경우, 원자는 레이저로부터 광자를 흡수하여 바닥상태에서 여기상태(excited state)로 전이하게 된다. 흡수 과정에서 광자의 운동량이 원자의 운동량에 전달이 되고 이 운동에너지를 되튐 에너지 (recoil energy) 이라고 한다 (거시적인 수준에서는 복사압 (radiation pressure)). 레이저 냉각 등에 핵심적인 역할을 한다.

* '''비 공명 (Ω << γ, Δ)''' 원자의 전이선에서 많이 벗어난 주파수의 레이저를 가할 경우, 원자의 에너지 준위가 레이저에 의해 살짝 바뀌는 것으로 이해할 수 있다. 이를 [[AC 슈타르크 이동 (AC Stark shift)]]이라고 부른다. 레이저를 강하게 집광하면 초점 근처에서만 원자의 에너지 준위가 낮아지며 보존 퍼텐셜(conservative potential)을 형성하여 마치 원자를 (마찰력이 없는) 그릇에 담은 것과 같은 상황이 된다. 광집게, 광격자 등 양자 시뮬레이션의 핵심 원리 이다.[[File:중성원자 three level schematics.png|none|thumb|495px|3-준위 원자와 2개의 레이저의 상호작용. 표기한 조건에서 3-준위 시스템은 근사적으로 2-준위 시스템으로 기술된다. 본 그림과 같이 두 바닥 상태의 에너지 상태가 광학 주파수보다 훨씬 작을 때를 라만 전이라고 한다.]]

==== 3-준위 원자와 이광자 전이 ====
3-레벨 원자와 2가지 레이저의 상호작용은 양자 게이트 구현, 레이저 냉각, 인공 게이지 장 생성 등 양자 시뮬레이션에 중요한 역할을 한다. 두 레이저의 디튜닝(detuning), $$\Delta$$이 레이저의 라비 진동수, $$\Omega_{1, 2}$$ 보다 클 때, 2-준위 시스템 처럼 작동한다. 두 개의 광자가 관여하기 때문에 선택 규칙(selection rule)이 좀 더 자유도가 있으며, 직접적으로 전이하는 경우 (단 광자 공명 전이)에 비해 더 크거나 작은 운동량을 원자에 전달 할 수 있는 장점이 있다. 이광자 전이를 활용하여 레이저 냉각, 리드버그 상태 준비 등을 구현할 수 있다. 유효 라비 진동수, $$\Omega_{eff} = \frac{\Omega_1 \Omega_2}{2\Delta}$$을 살펴보면 단 광자 전이에 비해 강한 레이저 세기가 필요함을 알 수 있다.

==== 레이저 광원의 제어 ====
레이저 기술의 발전은 원자 물리 연구에 아주 중요한 요소이다. 새로운 파장의 레이저, 보다 강한, 레이저, 보다 정밀한 레이저 등의 발명은 이전에는 접근하기 어려웠던 원자의 전이선을 탐구하고, 다른 연구에 응용할 수 있게 해준다. 예를 들면, 수 Hz 수준의 선폭을 가진 레이저를 통해 알칼리 토금속의 금지된 (하지만 완전히 금지되지 않은) 전이선을 탐구하고, 이를 원자 냉각, 원자 시계 등에 응용한다.

중성 원자의 실험에서는 다양한 방법으로 레이저를 제어한다. 광펌핑 (optical pumping) 등의 정교한 과정에서는 레이저의 모든 자유도(주파수 및 위상, 세기, 편광, 공간 모드)를 제어하는 것이 중요하다. 다음은 주로 사용하는 소자이다.

* 광 음향 변조기 (Acousto-optic modulator). 흔히 AOM 이라고 부르며, 레이저의 주파수와 세기를 동시에 빠른 (~ 1 μs) 속도로 제어할 수 있다. 투명한 결정질의 매질에 압전소자 (piezo electric material)을 이용하여 라디오 주파수 대역(30 MHz ~ 300 MHz)의 음파를 만들면, 레이저가 해당 주파수의 포논을 흡수하거나 유도방출하여 주파수가 바뀐 빛이 회절된다. 인가하는 라디오 주파수 신호의 주파수나 포락선(envelope) 등을 변조하여 여러 가지 방식의 제어가 가능하여 양자 시뮬레이션에 활용하는 레이저를 제어하기 위해 자주 사용된다. 
* 광 전기 변조기 (Electro-optic modulator). 흔히 EOM이라고 부른다. 전기장의 크기에 따라 굴절률이 변하는 매질에 신호를 가하면 소자에 걸린 전기장의 세기에 따라 투과하는 레이저의 위상이 바뀐다. 이를 이용하여 옆띠(side band)를 생성하거나, 편광을 순간적으로 바꾸어 편광판과 함께 짧은 펄스를 만들기도 한다. AOM에 비해 빠른 신호(>GHz)를 인가할 수 있다는 장점이 있다. 
* 공간 변조기 (spatial light modulator). 줄여서 SLM이라고도 부른다. 레이저의 공간 모드를 바꾸기 위해 주로 사용된다. 액정을 이용한 소자, MEMS공정을 이용한 Digital micro mirror device 등이 있다. 이를 활용하면 회절 한계 내에서 컴퓨터로 생성할 수 있는 임의의 퍼텐셜을 원자에 가할 수 있어 다양한 용도로 활용할 수 있다.
* 편광 빔 스플리터, 파장판 등의 편광 조절 장치. 복굴절을 이용한 편광 조절을 할 수 있는 소자들을 이용해 빛의 편광 모드를 제어한다.

=== 마이크로파 ===
마이크로파를 이용한 제어는 위의 레이저를 이용한 제어와 유사하다. 알칼리 원자의 초미세 상태를 조종하는 것이 대표적인 예이며, 핵자기 공명(Nuclear magnetic resonance) 방법과 매우 유사하다. 통신 산업 등의 응용 덕분에 발전한 마이크로파 및 라디오 주파수 기술들을 활용하여 실험을 할 수 있고, 레이저를 이용한 제어에 비하여 높은 정확도로 측정하고 좋은 신뢰도로 제어할 수 있다. 대표적인 활용 사례로, 세슘 원자의 바닥 상태의 마이크로파 전이를 이용한 시간 표준이 있다.

===정자기장 및 정전기장===
====제이만 효과 (Zeeman effect)====

[[File:중성원자 zeemanshift.png|right|thumb|300px|리튬7의 제이만 효과. F는 핵 스핀(3/2)과 전자 스핀(1/2)을 합친 good quantum number로 초미세 상호작용에 의한 상태를 구별하는데 사용한다.]]

정자기장의 하에서 원자의 서로 다른 자기양자수 상태의 에너지 준위가 달라진다. 이를 제이만 효과라고 한다. 원자의 내재적인 자기 모멘트가 외부 자기장에 의해 반응하는 것으로 이해할 수 있다. 자기모멘트의 크기는 원자 내부의 전하를 가진 입자의 질량에 반비례하며, 원자가 전자(valance electron)의 스핀이 주된 자기 모멘트의 원인이다. 예를 들면, 원자가 전자가 1개인 알칼리 금속의 경우 상태에 크게 상관없이 제이만 효과를 보이고, 알칼리 토금속의 경우 2개의 원자가 전자의 짝짓기(pairing) 상태에 따라 전자에 의한 제이만 효과가 있을 수도(세겹, triplet) 없을 수도(홑겹, singlet) 있다. 제이만 효과에 따른 에너지 준위 변화량, $$U_Z$$는 다음과 같이 쓸 수 있다.

\[ U_Z = -\mathbf{\mu} \cdot \mathbf{B} \]

여기서 $$\mathbf{\mu}$$는 원자의 자기 모멘트로 상태의 자기 양자수에 의존한다. 많이 사용되는 알칼리 금속의 경우, 공통적으로 지구자기장 세기 정도의 세기(100 mG)에서 약 100 kHz 정도 에너지가 달라진다. 실험실에서 일반적으로 얻을 수 있는 라비 진동수(~10 kHz)에 비해 큰 양이며, 정밀한 실험을 위해서는 자기장 차폐나 보상 등 정밀한 자기장 제어기술이 필수적이다.

==== 슈타르크 효과 (Stark effect) ====
정전기장 하에서 에너지 준위가 달라지는 현상을 슈타르크 효과 라고 한다. 극성 분자를 제외한 원자들의 바닥 상태는 전자 구름이 등방하기 때문에(전자 오비탈이 한 가지 홀짝성(parity) 을 가짐) 영구적인 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment), $$p$$, 를 가지 않는다. 전기장, $$E$$, 을 가하면, 유도 쌍극자 모멘트가 생성이 되며 ($$p \propto E$$) 유도된 모멘트와 전기장의 상호작용에 의해 에너지 준위가 달라지게 된다. 따라서 에너지 준위의 변화량, $$V_S$$, 은 간략하게 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\[ V_S = -\frac{1}{2} \alpha |E|^2  \]

여기서 $$\alpha$$는 원자의 분극률(polarizability)이다. 본 표현은 정전기장 뿐만 아니라, [[AC 슈타르크 이동]]에도 쓸 수 있다. 이 경우 분극률은 레이저 주파수의 또는 파장의 함수가 되며, 전기장의 크기는 평균을 이용하면 된다 ($$\alpha \rightarrow \alpha(\omega)$$). 원자의 다양한 전이선 때문에 다양한 분극률을 가지며, 상태에 따라 천이한 분극률을 보이기도 한다 (state-dependent potential, magic wavelength 등). 바닥 상태의 알칼리 금속의 정전기장에 대한 분극률은 160~400 a.u. (atomic unit)을 가지며, 이는 220 V 플러그에 걸리는 전기장(약 110 V/cm)에서 약 500 Hz 정도 이동하고, 이는 자기장에 비해 상대적으로 적은 양이라고 할 수 있다. 하지만, 리드버그 상태로 여기 시킬 경우 전자와 원자핵 간의 먼 거리 때문에 분극률이 매우 크게 증가한다.

온라인 중성 원자 분극률(polarizability) 참조 [http://www1.udel.edu/atom/ 링크].

===== 극성 분자의 제어 기술 =====
기본적으로 원자에서 쓰이는 모든 제어기술은 그대로 극저온 분자에 적용될 수 있다. 하지만, 분자는 원자에는 없는 분자핵의 진동, 회전자유도를 가지고 있기 때문에, 외부 전자기장에 의한 에너지의 변화를 계산할 때 주의가 필요하다. 또한, 분자의 전이를 고려할 때도 분자핵의 진동, 회전 상태의 변화에 유념해야 한다. 큐비트로 활용할 수 있는 분자의 회전 상태는 마이크로파로 직접 제어할 수 있다.

요약:

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