イオンレーザー冷却      ＆トラッピング

中性原子のイオン化、つまり原子からイオンを作ることは、イオントラッピングの前提条件です。一つの方法は、高速電子を原子に照射し、非弾性衝突を利用することです。高速電子は原子殻から電子を弾き出し、陽子より少なくとも1個少ない電子を持つ原子、つまり正電荷を持つイオンを作り出します。電子の代わりに、原子のイオン化エネルギーよりも高いエネルギーを持つレーザー光子を用いて、非弾性衝突によって中性原子をイオン化することもできます。イオン化エネルギーは数eVの範囲にあるため、通常は深紫外線レーザーまたは紫外線の高出力パルスレーザーを使用します。後者の場合、イオン化には2つの光子が必要です。電子銃や既存のレーザーを用いて実装するのは非常に簡単ですが、これらの方法は異なる同位体、さらには異なる元素をイオン化することを可能にします。これは、多くの種を研究する必要がある場合には有利かもしれませんが、非常に特殊な同位体をトラップする必要がある場合には不利になります。後者の場合、共鳴増強二光子イオン化法が用いられます。第一段階では、電子遷移に一致する波長のレーザーからの光子が原子を励起します。これは、狭線幅レーザーを用いることで、元素または同位体特異的に行うことができます。次に、通常は別のレーザー（例えばイオン冷却に用いるレーザー）から照射される十分な光子エネルギーを持つ第二の光子が、既に励起された原子をイオン化します。このような選択的イオン化プロセスは、共鳴イオン化質量分析法でも用いられています。

イオンのレーザー冷却は、さまざまな方法で実行できます。最も一般的な方法は、ドップラー冷却とサイドバンド冷却です。ドップラー冷却は、原子のドップラー冷却に類似しており、異なるレーザービームからの光子散乱におけるドップラー効果誘起の不均衡を利用して、光子反跳キックを与え、イオンが運動エネルギーを失うようにします。サイドバンド冷却は、イオントラップの MHz オーダーの高いトラッピング周波数を利用します。イオン内の電子遷移の線幅がトラッピング周波数よりも狭い場合、各内部励起が運動エネルギーの減少を伴うように、線幅の狭いレーザーでイオンを選択的に処理できます。これを行うには、レーザー周波数をイオンの遷移周波数よりもトラップ周波数だけ低く調整します。このようにして、イオンを励起すると、1 量子分の振動エネルギー（トラップ内のイオンの振動）が取り除かれます。イオンがトラップ内に閉じ込められている状態が非常に強い場合（ラム・ディッケ状態）、自然放出はイオンの運動エネルギーを変化させません。これは本質的にメスバウアー効果（1961年ノーベル物理学賞）です。したがって、励起/自然放出の各ステップは反ストークス・ラマン散乱と見なすことができ、トラップ内のイオン振動の1量子分の冷却につながります。原子が最低振動状態、つまりイオントラップの基底状態にある場合、励起は停止します。