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激光离子冷却及捕获

利用半导体激光实现离子冷却及捕获

  • 离子束缚
  • 中性原子的电离
  • 束缚离子的激光冷却
  • 离子的相干控制

 

自20世纪50年代离子束缚被发现以来,它已经成为光谱学,计量学,基础量子物理实验以及量子计算的强大工具。1989年,四极离子阱以及彭宁离子阱的发明者们被授予诺贝尔物理学奖(Wolfgang Paul ,Hans Dehmelt与Norman F. Ramsey共同获奖),“为其对原子精密色谱仪做出的重要贡献”。离子可在离子阱内储存很长时间,长达数月。束缚离子的激光冷却主要通过两种方式实现,多普勒冷却或边带冷却。后者用于将离子冷却至势阱振动基态从而使得高分辨率色谱仪成为可能。通过用激光冷却离子,可实现量子计算机中的基础操作量子门。量子逻辑建立在束缚于离子阱中粒子的运动状态与他们内部电子能态的纠缠态之上,它可用于实现全世界最精确的原子钟。许多实验通过束缚离子来探索量子世界,并帮助人们了解量子物理以及原子与光相互作用的不同方面。

离子阱 是束缚带电粒子的强大工具。以其发明者沃夫冈保罗命名的保罗离子阱是利用谐振电场在空间中为离子创造平均最低能量的3D势阱。它与四极杆质量分析关系紧密,四极杆质量分析是一种在化学分析中广泛使用的2D离子阱。相反,彭宁离子阱则是通过电场和磁场相配合而使得离子在空间中被束缚在特定的一点。在不同的实验当中通常需要对离子阱原型进行调整,以实现不同的要求。例如,线形离子阱是为量子计算演示而开发的;微离子阱或链接离子阱是量子寄存器的可能方案;加速器当中的储存环也是一种特殊的离子阱。人们可通过两种方法启动离子阱,一种是在目标离子在离子阱区域内是突然启动电场,另一种是保持电场工作,当中性原子移动至离子阱附近时突然将其电离

中性原子电离, 要进行离子束缚,首先需要把中性原子电离成离子。一种方法是向原子发射快电子并利用过程中的非弹性碰撞。快电子可以将电子从原子壳内击出,使得电子数至少比质子数小一,从而获得正离子。另一种方法则是通过能量高于原子电离能量的激光质子与中性原子进行非弹性碰撞从而将原子电离。由于电离能在几电子伏特的量级,使用的激光通常是深紫外激光或紫外波段的高能脉冲激光。对于后者,电离过程需要双光子。虽然使用电子枪或相关激光的方法简单朴素,这些方案使得人们可以电离不同的同位素,甚至元素。这对于多种类样本测试是有益处的,然而对于需要单独束缚某种特定同位素的情况却是不利的。在这种情况下,通常使用共振增强双光子电离的方法。首先,通过激光发射与原子内某电子跃迁能量相匹配波长的一个光子来激发原子。这一步可以通过利用与目标原子元素或同位素特性匹配的窄线宽激光来实现。而后利用另一台激光(通常接下来用于离子冷却)发射第二个光子,将已处于激发状态的原子电离。这样的选择性电离过程亦常用于共振电离质谱仪。

离子激光冷却 可通过不同途径实现。最常见的方法是多普勒冷却以及边带冷却。前者与原子多普勒冷却可以类比,通过利用多普勒效应引入的对不同激光束产生光子的不同散射效应产生回弹力,从而削减离子动能。边带冷却充分利用离子束缚的高束缚频率(通常在兆赫量级)。若离子内电子跃迁的线宽小于束缚频率,可运用对应窄线宽激光作用于离子上,通过离子内部激发从而实现动能减少。为了实现这个目的,激光频率需调节至离子跃迁频率以下整数倍束缚频率处。 这样,在激发粒子的同事可以通过离子碰撞减少振动能量。如果离子在阱中束缚力很强(Lamb-Dicke 区域),自发辐射并不能改变离子的动能(究其根本是一种穆斯保尔效应,1961年诺贝尔物理学奖)。因此每一步激发(抑或自发辐射)可被看作反斯托克斯拉曼散射并在离子阱内减少一量子的离子振动。激发现象在原子达到最低振动态,亦即离子阱基态时停止。

相干离子操控 可用于量子计算中的算法实现以及一些特殊的精密测量。一般来说,离子的两个能态通过一台激光或两台相互锁相的激光相耦合。这样,离子将随时间在两个能态间谐振,并保持相位相干。若激光照射离子时间仅为谐振周期的四分之一(Pi/2 脉冲),离子将处于两能态等价叠加的状态。此时,激光的作用等同于离子状态的“50/50分束器”。若激光照射离子时间为谐振周期的一半,离子将由一个能态转换到另一个能态,并保持相干。值得一提的是,通过这种方法,能态间的任意叠加均可得到实现,同时离子态可在离子内部或外部(振动态)产生纠缠。这样的相干操作对激光的要求非常严格(激光线宽小于原子线宽,谐振频率远小于能态寿命)。为了实现以上要求,尤其是第二点要求,一般需要两台互相锁模的激光i作用于两个基态能级(至少亚稳能级)触发拉曼跃迁,而不能单纯依靠一台激光作用于基态激发离子内电子能态。

TOPTICA的附加值 

离子束缚本身是基于静态或RF交流电场以及静磁场,因此并不需要激光的参与。然而选择性电离以及离子冷却需要相对应波长的可调激光,频率范围一般是蓝光或紫外。这些波长通常是通过高能连续半导体激光倍频产生的。根据离子的特性,需要选择双倍频甚至是四倍频的激光系统。这些系统通常需要与其他激光配合以实现光泵浦或相干操控。TOPTICA可针对目标波长提供客户个性化解决方案。通常来说,为某些特定离子我们也提供完整的服务包。 若您需要非常小的带宽(比如说赫兹量级),TOPTICA可为您提供ECDL 半导体激光的特殊版本以求主动有效地压缩带宽。我们针对高速反馈提供独有的锁相模块,其速度远超市面上所有其他解决方案。同时我们还提供通用函数发生器(VFG),该仪器容许对激光进行相位调节(利用声光组件)从而实现相干操控。欢迎您与我们的经验丰富的专家讨论您实验中的离子束缚。

离子阱 是束缚带电粒子的强大工具。以其发明者沃夫冈保罗命名的保罗离子阱是利用谐振电场在空间中为离子创造平均最低能量的3D势阱。它与四极杆质量分析关系紧密,四极杆质量分析是一种在化学分析中广泛使用的2D离子阱。相反,彭宁离子阱则是通过电场和磁场相配合而使得离子在空间中被束缚在特定的一点。在不同的实验当中通常需要对离子阱原型进行调整,以实现不同的要求。例如,线形离子阱是为量子计算演示而开发的;微离子阱或链接离子阱是量子寄存器的可能方案;加速器当中的储存环也是一种特殊的离子阱。人们可通过两种方法启动离子阱,一种是在目标离子在离子阱区域内是突然启动电场,另一种是保持电场工作,当中性原子移动至离子阱附近时突然将其电离

中性原子电离, 要进行离子束缚,首先需要把中性原子电离成离子。一种方法是向原子发射快电子并利用过程中的非弹性碰撞。快电子可以将电子从原子壳内击出,使得电子数至少比质子数小一,从而获得正离子。另一种方法则是通过能量高于原子电离能量的激光质子与中性原子进行非弹性碰撞从而将原子电离。由于电离能在几电子伏特的量级,使用的激光通常是深紫外激光或紫外波段的高能脉冲激光。对于后者,电离过程需要双光子。虽然使用电子枪或相关激光的方法简单朴素,这些方案使得人们可以电离不同的同位素,甚至元素。这对于多种类样本测试是有益处的,然而对于需要单独束缚某种特定同位素的情况却是不利的。在这种情况下,通常使用共振增强双光子电离的方法。首先,通过激光发射与原子内某电子跃迁能量相匹配波长的一个光子来激发原子。这一步可以通过利用与目标原子元素或同位素特性匹配的窄线宽激光来实现。而后利用另一台激光(通常接下来用于离子冷却)发射第二个光子,将已处于激发状态的原子电离。这样的选择性电离过程亦常用于共振电离质谱仪。

离子激光冷却 可通过不同途径实现。最常见的方法是多普勒冷却以及边带冷却。前者与原子多普勒冷却可以类比,通过利用多普勒效应引入的对不同激光束产生光子的不同散射效应产生回弹力,从而削减离子动能。边带冷却充分利用离子束缚的高束缚频率(通常在兆赫量级)。若离子内电子跃迁的线宽小于束缚频率,可运用对应窄线宽激光作用于离子上,通过离子内部激发从而实现动能减少。为了实现这个目的,激光频率需调节至离子跃迁频率以下整数倍束缚频率处。 这样,在激发粒子的同事可以通过离子碰撞减少振动能量。如果离子在阱中束缚力很强(Lamb-Dicke 区域),自发辐射并不能改变离子的动能(究其根本是一种穆斯保尔效应,1961年诺贝尔物理学奖)。因此每一步激发(抑或自发辐射)可被看作反斯托克斯拉曼散射并在离子阱内减少一量子的离子振动。激发现象在原子达到最低振动态,亦即离子阱基态时停止。

相干离子操控 可用于量子计算中的算法实现以及一些特殊的精密测量。一般来说,离子的两个能态通过一台激光或两台相互锁相的激光相耦合。这样,离子将随时间在两个能态间谐振,并保持相位相干。若激光照射离子时间仅为谐振周期的四分之一(Pi/2 脉冲),离子将处于两能态等价叠加的状态。此时,激光的作用等同于离子状态的“50/50分束器”。若激光照射离子时间为谐振周期的一半,离子将由一个能态转换到另一个能态,并保持相干。值得一提的是,通过这种方法,能态间的任意叠加均可得到实现,同时离子态可在离子内部或外部(振动态)产生纠缠。这样的相干操作对激光的要求非常严格(激光线宽小于原子线宽,谐振频率远小于能态寿命)。为了实现以上要求,尤其是第二点要求,一般需要两台互相锁模的激光i作用于两个基态能级(至少亚稳能级)触发拉曼跃迁,而不能单纯依靠一台激光作用于基态激发离子内电子能态。

TOPTICA的附加值 

离子束缚本身是基于静态或RF交流电场以及静磁场,因此并不需要激光的参与。然而选择性电离以及离子冷却需要相对应波长的可调激光,频率范围一般是蓝光或紫外。这些波长通常是通过高能连续半导体激光倍频产生的。根据离子的特性,需要选择双倍频甚至是四倍频的激光系统。这些系统通常需要与其他激光配合以实现光泵浦或相干操控。TOPTICA可针对目标波长提供客户个性化解决方案。通常来说,为某些特定离子我们也提供完整的服务包。 若您需要非常小的带宽(比如说赫兹量级),TOPTICA可为您提供ECDL 半导体激光的特殊版本以求主动有效地压缩带宽。我们针对高速反馈提供独有的锁相模块,其速度远超市面上所有其他解决方案。同时我们还提供通用函数发生器(VFG),该仪器容许对激光进行相位调节(利用声光组件)从而实现相干操控。欢迎您与我们的经验丰富的专家讨论您实验中的离子束缚。