线形离子阱中离子晶体的动力学研究

线形离子阱中离子晶体的动力学研究

精细结构常数是表征电磁相互作用强度的物理量,量子电动力学(QED)理论是粒子物理标准模型的重要组成部分,精细结构常数的精确测定和QED理论的检验是目前物理学上重要的基础研究课题。少电子原子精细能级分裂的高精度测量是确定精细结构常数和检验QED理论的重要方法,因此实现少电子原子的冷却至关重要。

激光冷却技术广泛应用于囚禁离子研究中,采用Doppler冷却可以将离子体系冷却到mK量级的结晶态。协同冷却技术的实现,使离子的冷却不依赖于其自身的能级结构,将该技术与激光冷却技术相结合逐步发展成为实验中获得mK量级低温离子体系的一种普适方法。

利用冷却的Li+离子精确测量精细能级分裂成为确定精细结构常数和检验QED理论的重要可行方案之一,也成为确定原子结构信息的重要途径之一。在精确测量Li+离子的精细能级分裂的光谱实验中,对离子的动力学研究具有非常重要的意义。

本论文从理论和实验两方面系统研究了激光冷却40Ca+离子晶体及40Ca+协同冷却7Li+和CaOH+等不同质荷比离子体系的动力学特征。主要内容分为以下几个方面：1.搭建了实验系统。

包括：建立了r0=3.50 mm, R0=4.00 mm的分段线形阱系统,本底真空达到7.5×10-9Pa；设计并完成囚禁与操控离子所需要的射频与直流控制系统,射频频率Ω的可调范围为2.5-4.5 MHz,射频幅度Urf的可调范围为60-450V,控制精度为0.3%,外加补偿电场的调控精度为1 mV；搭建了光电离、激光冷却和光谱探测40Ca+和7Li+所需的激光系统。2.在线形阱中成功实现不同数目40Ca+离子的囚

禁和激光冷却,并分析了其中的动力学特征。

分别基于PMT和EMCCD观察到离子晶体的荧光光谱和空间构型；实现了离子晶体1μm精度的位置和形状三维调控；实现了离子体系的提纯和选择性囚禁；提出基于离子晶体形状调控和光学成像相结合的方法,实现了三维离子晶体微米精度的附加微运动补偿。三维离子晶体冷却到5 mK,囚禁时间长达15天。

系统分析了40Ca+离子晶体的空间构型、温度分布、振动频率和结构相变等特征；以离子的低温密度理论为基础,配合对实验中离子晶体尺寸的精确测量,将mK量级低温离子晶体中离子数目的误差精度评估到4%以内。3.开展射频场中离子的激光冷却与协同冷却动力学过程分析。

研究了实验中各类典型混合离子晶体的空间构型,协同冷却的机制与效率、协同冷却的温度-时间演化特征；定量分析了冷却效率、平衡态温度与囚禁势场、冷却与加热力以及离子质荷比之间的关系；提出通过添加中间质荷比(缓冲)离子的方法来提高大质荷比差异下离子的协同冷却效率,从而降低混合离子体系的平衡态温度。