概要

Any Light Particle Search (ALPS) は、ハンブルクに拠点を置く世界的に有名な基礎科学研究機関であり、ドイツ最大の加速器センターであるドイツ電子シンクロトロン (DESY) の研究グループです (図 1)。同機関のモットーである「物質の解読」に従い、博士研究員のトッド・コズロウスキー氏は、宇宙の暗黒物質などの物理現象をより深く理解するためのアクシオン検出プロジェクトに取り組んでいる。トッドとアクセル・リンドナー率いるALPS研究グループのメンバーは、赤外線干渉法と極微弱な信号のヘテロダインセンシングを使用して、受け入れられている素粒子物理学のモデルを拡張し、宇宙を記述するための新しい光粒子を含む理論を開発している。 「壁を通して光を照らす」という使命目標を掲げたこのグループは、弱相互作用サブ電子粒子（WISP）と呼ばれる粒子、より具体的にはアクシオンを検出することを目的としている。レーザー光が壁によって遮られている間、アクシオンは通過できます。

図1： 光学テーブルを調整するALPSチームメンバー。

4つ使って Moku:Lab デバイスと XNUMX 台 Moku:Pro トッドと彼のチームは、研究目標に向かって驚くべき進歩を遂げました。 Moku:Lab および Moku:Pro は、14 以上のテスト機器を提供するオールインワンの FPGA ベースのデバイスで、 オシロスコープ および スペクトラムアナライザ、のような強力な光学機器まで、 ロックインアンプ および レーザーロックボックス.

課題

トッドのグループは、非常に高いユニティゲイン周波数と信じられないほど狭い線幅を備えた光キャビティに対してレーザーの周波数を安定化させようと試みています。実際、特にこのキャビティは、世界中の光キャビティの中で最も線幅が狭いため、ロックオンすることが非常に困難です (図 2)。多くの光学研究者と同様に、チームはアナログ システムを手作りすることにしましたが、実験の柔軟性要件を満たさないことがすぐにわかりました。  

さらに、研究チームは、空洞の反射にビートノートとして刻印されたアクシオンから再生された光子の信号を探しています。これらの分野は信じられないほど弱いです。等価パワーは、1 日に測定される単一光子のレベルにあります。さらに、光の粒子はわずか 10:XNUMX の確率でアクシオンに変化する可能性があります。14つまり、チームは貴重なデータを失うわけにはいきません。

図 2: 長さ 125 メートル、XNUMX つのミラーを備えた光キャビティの再生空洞 (RC) 蓄積時間、つまりレーザー光がミラー間を循環し続ける世界記録。

ソリューション

トッドと彼のチームはすぐに、Moku が単なる直観的なユーザー インターフェイスではなく、最先端の科学を加速するための高性能機器のスイート全体を提供するプロフェッショナル グレードのソリューションであることに気づきました。アナログ エレクトロニクスを Moku に置き換えることで、チームは柔軟性が向上し、データ ログを合理化しながら設計を迅速に反復する能力が向上し、ソフトウェア デファインド インスツルメンテーションの採用に関連するためらいがすぐに解消されたことがわかりました。 Moku は、実験に簡単に統合できるだけでなく、箱から出してすぐにカスタム設計の科学グレードのアナログ機器の精度と一致させることができました。彼らは、ロックインアンプ、デジタルフィルターボックス、レーザーロックボックスなどを活用して、すぐに結果を達成しました（図3）。

図3：DESY のクリーンルームで作業する ALPS チームメンバー。

Moku:Lab と Moku:Pro に切り替えることで、研究者らはパウンド・ドレバー・ホール (PDH) 技術を使用してレーザー周波数をキャビティに即座にロックすることができ、システムを効果的に置き換えることで、チームがさらに最適化する時間を確保できるようになりました。トッド氏のチームはレーザー周波数を光空洞にロックするだけでなく、信じられないほど弱い信号も検出する必要があったため、ロックインアンプを探す際に再び Moku 機器に目を向けました。

「このデータを取得するもっと良い方法を思い描くことができたかどうかはわかりません」とトッド氏は言う。 「モクを選んだのは自然なことでした。」 

2 台の Moku デバイスは、スペクトラム アナライザー機器を使用してセットアップの位相ロックを監視し、μV レベルまで信号を分析して、システムがすべてのレーザーが相互に追従する「ロック」状態にあることを確認します。ここから、さらに 2 つの Moku デバイスがロックイン アンプ機器を操作し、ヘテロダイン干渉法を使用してサブ nV 範囲の電圧で信号を読み取ります。

結果

トッドと彼のチームは、4 つの光のフィールド (XNUMX つは強いフィールド、もう XNUMX つは非常に弱いフィールド) の間で信じられないほど弱いビート ノート信号を生成できます。それらの干渉によって生じる小さなビートノートは光検出器に入射し、Moku:Lab ロックインアンプによって測定されます (図 XNUMX)。このソリューションは、予想される発生頻度で信号を復調し、トッドがヘテロダイン混合の弱い磁場から数時間にわたって単一光子のオーダーに至るまで非常に低い信号レートを解決できるようにします。これらの信号は、何時間ものデータロギングが完了するまで解決されません。このデータはすべて、ロックインアンプに組み込まれたデータロガー機器で取得されるため、信頼性の高い信号情報を SD カードに記録するための追加の高価な機器が不要になります。データロギング。

図 4: チームは Moku:Lab デバイス (右) を使用して、長さ 125 メートルの光共振器に対してレーザーの周波数を安定させます。

研究者らは、Moku:Pro を使用して、実験アーキテクチャに小さな変更を加えた結果、フェーズ ロック ループ (PLL) が必要になった場合など、予期せぬ課題を解決することもできました。 Moku:Pro をオンザフライで PLL として迅速に実装し、要件の変更による障害に遭遇することを回避できます。 

「私たちはすぐに解決策を見つける必要がありました」とトッド氏は言いました。 「Moku:Pro が挿入され、クリーンルームに持ち込まれてからループが動作するまでに数時間かかりました。」 

Moku:Pro を使用すると、チームはマルチ楽器モードでレーザー ロック ボックスとスペクトラム アナライザー楽器を使用して、ロックを維持しながら目的のビート ノートを分析することが簡単になります。

まとめ

研究を進めるために、トッド氏と彼のチームは、柔軟性があり、複数のアプリケーションで動作し、クロックの安定性、アナログ - デジタル コンバーター (ADC) ノイズ、およびデジタル - アナログ (DAC) の仕様ニーズを満たすテスト機器を必要としていました。ノイズ。 Moku プラットフォームはこれらの要件を満たしながら、信号を監視し、データを記録し、物理学における測定の最大の課題のいくつかを克服するための新しい方法をチームに提供する重要な機器を提供しました。 

研究チームは、今後も実験で Moku デバイスを使用していく予定です。彼らは現在、API を通じてデバイスを制御する計画に取り組んでいます。これまでのところ、完全に遠隔制御され、測定とデータのストリーミングを行う 5 台の Moku デバイスが統合されています。彼らは、Moku Python API (図 XNUMX) を使用して XNUMX 台の Moku デバイスと XNUMX つの異なる機器を制御する DESY のグローバル制御システムを通じてこれを実現しました。

図 5: チームは Python GUI を使用して、DESY のグローバル制御システムを通じて複数の機器と複数の Moku デバイスを管理している。

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