イントロダクション
ALPS（Any Light Particle Search）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）。この機関のモットーである「物質の解読」に従い、ポスドク研究員が トッド・コズロウスキー 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ます。トッドと、アクセル・リンドナー率いるALPS研究グループの他のメンバーは、赤外線干渉法と極微弱信号のヘテロダイン検知を使用して、粒子物理学の一般的なモデルを拡張し、宇宙を説明する新しい光粒子を含む理論を開発しています。「壁を通して光を当てる」というミッション目標を掲げるこのグループは、弱く相互作用するサブeV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指しています。レーザー光は壁で止められますが、アクシオンは通り抜けることができます。
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、15 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 の三脚と 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 の三脚と レーザーロックボックス.
課題
Todd氏のチームは、非常に高いユニティゲイン周波数と非常に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、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信じられないほど弱い光子の信号を探しています。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１:１０１４の確率でアクシオンに変化する可能性があります。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メートルの２ミラー光共振器の世界記録である再生共振器（RC）蓄積時間（レーザー光がミラー間を循環している時間）。
ソリューション
トッドと彼のチームはすぐに、Moku が単なる直感的なユーザー インターフェイス以上のものであることに気づきました。最先端の科学を加速するための高性能機器一式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す。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、設計を迅速に反復する能力が向上し、データ ロギングが合理化され、ソフトウェア定義の機器の採用に関するあらゆる躊躇がすぐに解消されました。実験との統合が容易なだけでなく、 モク 同社は、カスタム設計された科学グレードのアナログ機器の精度を箱から出してすぐに実現することができました。 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（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。
に切り替えることによって Moku:Lab の三脚と Moku:Pro研究者たちは、レーザー周波数をキャビティに瞬時にロックすることができた。 パウンド・ドレーヴァー・ホール（PDH）法チームはシステムを効果的に置き換えて、さらに最適化する時間を確保しました。Todd のチームはレーザー周波数を光キャビティにロックするだけでなく、非常に弱い信号を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 機器に頼りました。
「このデータを活用するのに、これ以上の方法があったでしょうか。」とTodd氏は述べています。「Mokuはそのための自然な選択でした。」
２台のMokuデバイスがスペクトラムアナライザを使ってセットアップの位相ロックをモニターし、µVレベルまでの信号を分析して、システムがすべてのレーザーが互いに追従する「ロック」状態にあることを確認します。ここから、さらに２台のMokuデバイスがロックインアンプを操作し、ヘテロダイン干渉計を使用して、サブnVレンジの電圧を持つ信号を読み取ります。
結果
Todd氏のチームは、２つの光のフィールド (１つは強いフィールド、もう１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４)。 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、Todd氏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内蔵されたデータロガーで取得されるため、信頼性の高いデータロギングを行うためにSDカードに信号情報を記録するための高価な計測器を追加する必要はありません。
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る。
チームは、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、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Todd氏は述べています。「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稼働するまで、2、3時間でした。」
Moku:Pro を使用すると、チームはレーザー ロック ボックスとスペクトル アナライザー機器をマルチ インストゥルメント モードで使用して、ロックを維持しながら目的のビート ノートを簡単に分析できます。
結論
Todd氏のチームは、研究を進めるために、柔軟性があり、複数のアプリケーションに対応し、クロック安定性、アナログ・デジタル・コンバータ（ADC）ノイズ、デジタル・アナログ（DAC）ノイズの仕様ニーズを満たすテスト装置を必要としていました。Mokuプラットフォームは、これらの要件を満たし、同時に重要な計測機器を提供することで、チームは信号の監視、データの記録、物理学で最も大きな測定課題のいくつかを克服するための新しい方法を得ることができました。
チームは今後もMokuデバイスを使った実験を続ける予定です。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、６台のMokuデバイスを完全にリモート制御し、測定とデータストリーミングを統合しました。これは、Moku Python API（図５）を使用したDESYのグローバル制御システムによって実現され、６台のMokuデバイスと５つの異なる機器を制御することができます。
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。
DESY での Todd と彼のチームの研究について詳しく知りたい場合は、ここをクリックしてください。 こちら. ご質問がありますか?お問い合わせください こちら.
