线形离子阱中离子晶体的动力学研究

发布时间：2017-04-15 19:16

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【摘要】：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。
【关键词】：动力学 附加微运动 冷却效率 线形离子阱 离子晶体
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O562
【目录】：

• 内容摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 第二章 Li~+离子精密光谱基础18-60
• 2.1 少电子原子体系光谱基础18-24
• 2.1.1 双电子原子体系QED理论18-21
• 2.1.2 双电子原子体系的研究方案与进展21-24
• 2.2 离子的囚禁和冷却24-47
• 2.2.1 离子的囚禁25-34
• 2.2.2 离子的冷却34-47
• 2.3 离子的动力学计算47-56
• 2.3.1 数值计算的建模48-54
• 2.3.2 离子特征参量的提取54-56
• 2.4 离子晶体的结构相变理论56-58
• 本章小结58-60
• 第三章 囚禁冷却Ca~+离子晶体60-122
• 3.1 离子阱系统60-88
• 3.1.1 真空系统60-63
• 3.1.2 分段四极杆线形离子阱与势场操控系统63-74
• 3.1.3 激光与探测系统74-88
• 3.2 离子的产生、冷却与囚禁88-99
• 3.2.1 离子信号的探测88-95
• 3.2.2 离子的附加微运动抑制95-98
• 3.2.3 ~(40)Ca~+晶体的制备98-99
• 3.3 ~(40)Ca~+离子晶体的动力学特征99-117
• 3.3.1 离子晶体的宏观特征99-106
• 3.3.2 三维离子晶体的调控106-117
• 3.4 离子晶体的结构相变特征117-121
• 本章小结121-122
• 第四章 协同冷却的实现与混合离子晶体动力学122-148
• 4.1 基于协同冷却获得低温离子体系122-134
• 4.1.1 协同冷却离子的产生122-123
• 4.1.2 协同冷却体系的平衡态空间构型123-127
• 4.1.3 协同冷却体系的平衡态能量与温度分布127-134
• 4.2 协同冷却离子体系的演化特征与冷却效率134-147
• 4.2.1 不同质荷比协同冷却离子下混合离子晶体的空间构型135-136
• 4.2.2 离子的温度耦合效应136
• 4.2.3 激光冷却离子的冷却效率136-141
• 4.2.4 协同冷却离子的冷却效率141-145
• 4.2.5 不同质荷比激光冷却离子对~7Li~+的协同冷却145-146
• 4.2.6 缓冲离子对协同冷却效率与平衡态温度的影响146-147
• 本章小结147-148
• 第五章 总结与展望148-156
• 5.1 总结148
• 5.2 展望148-156
• 5.2.1 基于单条封闭能级测量152
• 5.2.2 基于两条跃迁谱线组成封闭能级测量152-154
• 5.2.3 基于三条以上跃迁谱线组成封闭能级测量154-156
• 作者简介及攻读博士学位期间发表的论文156-157
• 致谢157-159
• 参考文献159-168

【参考文献】

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1 杜丽军;陈婷;宋红芳;陈邵龙;李海霞;黄W

本文编号：309074