钙离子协同冷却锂离子的实验研究

发布时间：2017-06-05 16:26

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【摘要】：精细结构常数——这个被称之为魔数的物理量,一直是科学家们关注的对象。由于Li+离子自身结构简单,在理论上可以精确计算,所以以它的精密光谱作为实验对象来确定精细结构常数并验证量子电动力学(QED)理论是非常合适的选择。但是直接冷却Li+离子是存在困难的,所以在实验中我们采取协同冷却的方式对Li+离子进行冷却,这将有效降低Li+离子的温度,得到精度足够高的光谱数据以期精确确定精细结构常数。本文就Li+离子的协同冷却开展了实验研究,主要内容分为以下几个方面：1.搭建了一套同时囚禁40Ca+和7Li+的离子阱系统,真空度为5×10-8 Pa,射频囚禁场频率为2π×7.20MHz,电压可达600V。2.利用有限元分析方法模拟得到了实验所用线形离子阱的几何结构因子,确定了同时囚禁Ca+离子和Li+离子的最佳囚禁点,并得到不同囚禁场中势阱深度。3.搭建了产生和冷却Ca+离子以及产生Li+离子的激光系统。对用于冷却Ca+离子的397nm与866nm激光进行了传输腔稳频,长期稳定度达到了2 MHz/hour。4.在线形离子阱中实现了Ca+离子的囚禁和冷却,分别用PMT和EMCCD观测到了Ca+离子荧光信号。并通过位置补偿法减小了离子微运动,最终得到了温度为mK量级的Ca+离子晶体。同时对Ca+离子的二阶结构相变进行了研究。并利用分子动力学模拟方法获得了离子温度,通过分析不同结构分布的离子晶体的温度变化规律,得到了二阶结构相变的转变点。5.从理论上分析了单个Ca+离子与单个Li+离子在平衡状态下协同冷却的极限温度。在实验上实现了Ca+离子协同冷却Li+离子,得到了混合离子晶体,并对离子的运动频谱进行了测量。最终利用分子动力学模拟得到了Li+离子晶体的温度,表明温度为mK量级的Li+离子晶体已成功制备。
【关键词】：协同冷却 离子阱 Li~+离子 离子库仑晶体 二阶结构相变
【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】：

• 致谢4-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 原子光谱测量的发展历史12-14
• 1.2 锂离子光谱测量的发展历史14-17
• 1.2.1 锂离子14-15
• 1.2.2 锂离子光谱测量的发展历史15-17
• 1.3 离子阱中实现超冷锂离子的研究的实验目标17-18
• 本章小结18-19
• 第二章 钙离子协同冷却锂离子的关键物理和技术19-35
• 2.1 离子阱19-24
• 2.1.1 离子囚禁19-23
• 2.1.2 赝势和电荷分布密度23-24
• 2.3 离子冷却24-30
• 2.3.1 激光Doppler冷却的基本原理25-27
• 2.3.2 协同冷却的概况27-30
• 2.4 分子动力学模拟30-34
• 2.4.1 牛顿方程以及离子受力31
• 2.4.2 离子的温度31-32
• 2.4.3 加热效应32-33
• 2.4.4 冷却速率33-34
• 本章小结34-35
• 第三章 实验装置35-58
• 3.1 ~(40)Ca~+离子的能级结构35-36
• 3.2 离子阱系统36-47
• 3.2.1 线形离子阱36-41
• 3.2.2 射频源以及直流电源41-45
• 3.2.3 真空系统45-46
• 3.2.4 原子源46-47
• 3.3 激光系统及光路搭建47-55
• 3.3.1 外腔半导体激光器的基本结构47-48
• 3.3.2 光电离48-50
• 3.3.3 冷却、回泵激光及其稳频50-55
• 3.3.3.1 397nm、866nm激光50-52
• 3.3.3.2 传输腔稳频原理52-53
• 3.3.3.3 传输腔稳频的实现53-55
• 3.4 荧光探测系统55-57
• 本章小结57-58
• 第四章 ~(40)Ca~+结晶的实现及相关动力学研究58-77
• 4.1 钙离子的捕获和冷却58-61
• 4.1.1 钙原子的产生58-59
• 4.1.2 钙离子的捕获及冷却59-61
• 4.2 微运动补偿61-64
• 4.3 ~(40)Ca~+的一阶相变64-66
• 4.4 ~(40)Ca~+二阶结构相变点的研究66-76
• 4.4.1 离子晶体二阶结构相变67-68
• 4.4.2 宏运动频率的测量68-70
• 4.4.3 ~(40)Ca~+阶结构相变实验70-72
• 4.4.4 通过离子温度得到结构相变点72-76
• 本章小结76-77
• 第五章 钙离子与锂离子的协同冷却77-96
• 5.1 单个钙离子协同冷却单个锂离子的理论77-84
• 5.2 协同冷却的实现84-88
• 5.2.1 椭球状钙离子的实现84-85
• 5.2.2 锂离子的产生与注入85-88
• 5.3 离子运动频率谱88-91
• 5.3.1 离子的运动模式88
• 5.3.2 离子运动频率谱的测量88-91
• 5.4 离子数量以及温度的确定91-95
• 本章小结95-96
• 第六章 总结与展望96-97
• 参考文献97-106
• 作者简介106
• 发表文章10

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