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国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
冷原子分子物理与实验技术暑期学校(2007)<br />
冷原子分子物理与实验技术暑期学校 (2007)<br />
囚禁冷却离子的研究进展<br />
<strong>高克林</strong><br />
波谱与原子分子物理国家重点实验室<br />
中科院武汉物理与数学研究所<br />
中科院冷原子物理研究中心<br />
(2007 2007年7月30 30日上海) 日上海)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
• 囚禁冷却离子的特点<br />
• 冷却离子精密谱<br />
Ca + 离子的冷却和光谱特性<br />
Sr + 离子光频标的理论和实验<br />
Fe 3+ 同中性原子的电荷转移<br />
• 进一步的工作
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
囚禁冷却离子的特点
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
囚禁离子的基本慨念<br />
离子:带电粒子<br />
离子: 带电粒子<br />
电子,原子离子,分子离子,团簇离子,高离化态离子<br />
…<br />
• Paul Trap<br />
• Penning Trap<br />
• Combined Trap<br />
• Kingdom Trap<br />
• Electron Beam Ion Trap<br />
• 线形阱 环形阱 芯片阱<br />
特点:<br />
☺ 近于无干扰<br />
☺ 可消除或控制其运动效应---<br />
可消除或控制其运动效应 ---<br />
离子几乎处与“静止<br />
离子几乎处与 静止”状态<br />
☺ 很长的离子与辐射场作用时间
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
研究领域<br />
测量物理常数,检验物理理论(g-2测量)<br />
非中性等离子体,混沌和有序<br />
特殊物质的研究(反氢…)<br />
量子光学<br />
离子阱质谱(质量标准)<br />
时间频率标准(离子光频标)<br />
量子计算机(囚禁离子量子态的操控)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
冷却离子精密谱
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Ca + Ca 离子的冷却和光谱特性<br />
+ 离子的冷却和光谱特性
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
离子囚禁<br />
• A charged particle cannot be confine in a<br />
charge free region with static electric fields<br />
(Earnshaw’s 理论)<br />
• 两种方法:<br />
– AC 场: Paul 阱<br />
– 磁场: Penning 阱
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数理学部实验物理讲习班<br />
• 原理<br />
实现:周期的势<br />
实现<br />
Paul (rf ( rf) ) 阱<br />
r<br />
φ(<br />
r, z)<br />
= ( U o −Vo<br />
cos Ωt)<br />
r<br />
在任何时间,一个方向是囚禁的:振子的运动足够快使离子不能逃逸<br />
H. Winter and H.W. Ortjohann, Am J Phys 59, 807 (1991).<br />
2<br />
2<br />
0<br />
− 2z<br />
+ 2z<br />
2<br />
2<br />
0
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
2<br />
d u<br />
+ ( a − 2q<br />
cos2<br />
) u = 0<br />
2 u u τ<br />
dτ<br />
囚禁离子的稳定区<br />
0 ≤ q x , q y , q z ≤ 0.908
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数理学部实验物理讲习班<br />
囚禁单离子的非标准阱<br />
单离子阱不同与普通的离子阱,是开放式的阱型:便<br />
于激光的引进和出射以及微弱荧光的测量。
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
囚禁离子体系<br />
微型非标准的Paul(射频)阱<br />
两个补偿电极和帽<br />
极电压的精密控制<br />
微型阱装置(2r o<br />
=1.4mm)<br />
离子阱系统(射频频率9MHz,幅度为500V)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
激光冷却方案-Doppler<br />
激光冷却方案-Doppler<br />
冷却<br />
激光对离子的辐射压力: F = κΓρee<br />
冷却的极限温度<br />
Wineland and Dehmelt, T.Hänsch and A.Schawlow, (1975)
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数理学部实验物理讲习班<br />
钙离子的能级图<br />
激光冷却Ca<br />
激光冷却 Ca + 离子光学系统
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数理学部实验物理讲习班<br />
基于Littrow<br />
基于 Littrow结构的半导体激光器<br />
结构的半导体激光器<br />
+25V<br />
-25V D<br />
+12V<br />
C<br />
B<br />
A<br />
1<br />
GND<br />
2<br />
2<br />
2<br />
GND<br />
2<br />
3<br />
OUTPUT<br />
R11 3<br />
1<br />
Vout LM317 Vin<br />
+15V<br />
2<br />
C11 C12<br />
RELAY1 SW1 RELAY2<br />
C1<br />
C3<br />
R3<br />
R5 R6 47uFR7 47uF<br />
C17<br />
IN4001 1<br />
R10<br />
R12<br />
4<br />
4.7uF 1 GND<br />
3 4.7uF<br />
L1<br />
50(VHP)<br />
8<br />
3<br />
1<br />
Vin Vout<br />
MC7815<br />
100uH<br />
10K 2K 1K<br />
3K<br />
+15V<br />
10nF<br />
270<br />
A<br />
4 8<br />
+15V<br />
13<br />
+15V<br />
C5 1uF C7<br />
C13<br />
9<br />
R15<br />
G1<br />
D<br />
1<br />
3<br />
47uF<br />
100uF<br />
LM399<br />
R9<br />
13 9<br />
C2<br />
Vin MC7915Vout<br />
R4<br />
10K<br />
C14<br />
47<br />
4.7uF<br />
-15V<br />
C4 C6<br />
C8<br />
+15V<br />
4<br />
2<br />
3<br />
10nF<br />
4.7uF 1uF L2 47uF<br />
C20<br />
R8<br />
1 16<br />
-15V<br />
500<br />
6<br />
S<br />
R13<br />
1 16<br />
2N2905<br />
100uH<br />
2<br />
G<br />
10K<br />
R1<br />
VP0106<br />
100nF<br />
5K<br />
2K<br />
C15<br />
D<br />
2<br />
G1<br />
C18<br />
R16<br />
100uF<br />
R5<br />
1uF<br />
IN4001 2<br />
OPA2277 11A<br />
1<br />
LED1<br />
7K<br />
3<br />
C16<br />
RED<br />
1<br />
3<br />
10K<br />
Vin MC7812Vout<br />
C21<br />
10nF<br />
interlock<br />
C10<br />
C9<br />
-15V<br />
330nF<br />
330nF<br />
-15V<br />
LED2<br />
r3<br />
100nF<br />
RED<br />
2K<br />
R19<br />
-15V<br />
L3<br />
power<br />
R17<br />
10K<br />
RF INPUT<br />
100uH<br />
+15V C19<br />
R27<br />
10K<br />
C22<br />
OPA2277 12A<br />
2<br />
LED3<br />
TL431<br />
C24<br />
1K<br />
GREEN<br />
6<br />
10nF<br />
1uF<br />
7 R18<br />
100nF<br />
R14<br />
laser<br />
R26<br />
R2 1<br />
5<br />
10K<br />
2 OPA2277 21A<br />
10K<br />
3<br />
100K<br />
1K<br />
R28 -15V<br />
1<br />
G1<br />
+15V<br />
1K C27<br />
3<br />
C25<br />
C<br />
G1<br />
SW2<br />
C23<br />
6<br />
G1<br />
R21<br />
R25<br />
100nF<br />
4<br />
R20<br />
3K<br />
G1<br />
2K<br />
100nF R26<br />
3<br />
5<br />
10K<br />
2<br />
6<br />
OP27 2A<br />
100nF<br />
Modulation input<br />
6<br />
OP27 1A<br />
2<br />
3<br />
SW1-1<br />
1K<br />
-15V<br />
coarse<br />
3<br />
1<br />
R22<br />
fine<br />
C28<br />
2<br />
C26<br />
500<br />
G1<br />
fine<br />
G1 R30<br />
1K<br />
100nF<br />
R24 R23<br />
DELAY3<br />
100nF<br />
G1<br />
+15V<br />
-15V<br />
R29<br />
220 20K coarse<br />
4 2 7 9 1<br />
1K<br />
IN4001 3<br />
to DPM<br />
G1<br />
R30<br />
1K<br />
SW2<br />
SW1-2<br />
3 8 10<br />
G1<br />
Dummy load<br />
G1<br />
R33<br />
100K<br />
B<br />
G1<br />
C31<br />
R39<br />
43<br />
10nF<br />
R32<br />
R36<br />
100K<br />
L4<br />
R31 100K<br />
-15V<br />
200K<br />
100uH<br />
+15V<br />
C32<br />
C29<br />
G1<br />
G1<br />
IN5711<br />
100nF<br />
100nF<br />
3<br />
2<br />
R34<br />
6<br />
OP27 4A<br />
6<br />
OP27 3A<br />
100K<br />
2<br />
R38<br />
G1<br />
3<br />
100K<br />
C33<br />
C30<br />
G1<br />
R35<br />
G1<br />
100K<br />
100nF<br />
100nF<br />
+15V<br />
-15V<br />
R37<br />
100K<br />
G1<br />
A<br />
Title Current Controller<br />
4 7<br />
4 7<br />
Size Number Revision<br />
1<br />
B<br />
Date: 9-May-2006 Sheet of 1<br />
Guan File: E:\data\data\gary\circuit\current controller.ddb Drawn By: Hua<br />
1 2 3 4 5 6<br />
4<br />
7<br />
4<br />
7<br />
4<br />
4 8<br />
5<br />
4 8<br />
7<br />
4 LT1028<br />
6<br />
GND<br />
2<br />
Diode laser
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
signal intensity(arb. unit)<br />
半导体激光的调试<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025<br />
time(s)<br />
scan voltage(V)<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0.025s<br />
0.00 0.01 0.02 0.03<br />
Y Axis Title<br />
time(s)<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
signal intensity(arb. unit)<br />
X Axis Title<br />
780nm:线宽小于2.5MHz,抖动约3-4MHz,漂移约50MHz/30m<br />
0.00006s
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
397nm DL100半导体激光器稳频<br />
DL100半导体激光器稳频<br />
外腔稳频原理图及误差信号<br />
Voltage [V] (1V=2.5MHz)<br />
2.0<br />
1.8<br />
1.6<br />
1.4<br />
1.34<br />
1.2<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
0.26V (Corresponding 0.65MHz)<br />
0.031 0.032 0.033 0.034 0.035 0.036<br />
Time [s]<br />
397激光锁定到FPI 100之后的误差信号
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
OGN signal (mV)<br />
3.6<br />
3.4<br />
3.2<br />
3.0<br />
2.8<br />
2.6<br />
2.4<br />
半导体激光器的长稳锁定<br />
0 500 1000 1500<br />
Time (s)<br />
半高宽约为3-4MHz,抖动约为<br />
OGN signal (mV)<br />
3.8<br />
3.6<br />
3.4<br />
3.2<br />
3.0<br />
2.8<br />
2.6<br />
Scan Voltage (V)<br />
28<br />
26<br />
24<br />
22<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
0<br />
8<br />
0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005<br />
FPI100 unlocked<br />
Time (S)<br />
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000<br />
Time (s)<br />
FPI100 locked<br />
2-3MHz,15min漂移小于50MHz<br />
2<br />
Fringe Amplitude(V)<br />
Scan Voltages (V)<br />
28<br />
26<br />
24<br />
22<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
0<br />
8<br />
0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005<br />
Time (S)<br />
H. Guan, Optical Comm. 274,182(2007)<br />
2<br />
Fringe Amplitude (V)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
激光波长的测量<br />
激光波长的测量系统<br />
866nm光的光电流信号<br />
397nm光的光电流信号
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
光斑半径: 397nm 20 μm<br />
866nm 100 μ<br />
弱荧光成象系统<br />
m
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Ca + 离子囚禁和激光冷却<br />
40 Ca<br />
离子云信号
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
离子宏运动频率的测量<br />
q<br />
r t r t t<br />
2<br />
0<br />
i<br />
i() = i cos( ωi + φi)(1+<br />
cos( ΩRF<br />
))<br />
1<br />
ω = β Ω<br />
2<br />
i i RF<br />
射频电压(零峰值) q z<br />
轴向宏运动频率<br />
(kHz)<br />
865 870 875 880 885 890 895 900 905 910<br />
径向宏运动频率<br />
(kHz)<br />
100 0.12 968.3 810.4<br />
112.5 0.135 1001.1 847<br />
125 0.15 1035.3 884.6<br />
137.5 0.165 1066.8 922.6<br />
150 0.18 1097 958.4<br />
Fluorescence [photons/0.3s]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
RF frequency [kHz]
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
离子微运动的描述<br />
离子运动的平均位置不处于囚禁场的电场的节点位置时,离子就会受所<br />
在地方的场的作用产生一种附加的运动<br />
微运动的影响<br />
• 离子不能被很好冷却,荧光信号差<br />
• 光跃迁产生<br />
Doppler 移动<br />
和<br />
ac Stark 移动
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
微运动的精细测量
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Photon count *10 4 /s<br />
3.2<br />
3.0<br />
2.8<br />
2.6<br />
2.4<br />
2.2<br />
2.0<br />
1.8<br />
1.6<br />
1.4<br />
b<br />
1.2<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
a<br />
-1000 -800 -600 -400 -200 0 200<br />
397nm laser frequency (MHz)<br />
a: Setting RF voltage at 250V<br />
b: Setting RF voltage at 200V<br />
改变囚禁势<br />
photon counts /0.5s<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
微运动的补偿<br />
060705 cooling scan signal<br />
397nm scan order<br />
1<br />
Vendcap1=-2.319v ; Vendcap2= -2.598v<br />
Vc1=-72.37v ; Vc2=-35.30v<br />
2<br />
Vendcap1=-2.017v ; Vendcap2= -2.515v<br />
Vc1=-73.49v ; Vc 2=-10.85v<br />
397nm ogn signal<br />
Detuning point<br />
Micromotion<br />
0<br />
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4<br />
397nm scan frequency ( Ghz )<br />
OGN signal intensity (arb.nuit)<br />
辅助的势(加上补偿电极)<br />
Photon counts(/0.5s)<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
2006.06.06<br />
223.0 223.2 223.4 223.6 223.8 224.0 224.2 224.4<br />
397nn Laser Frequency(GHz)<br />
时间 帽电极1(V) 帽电极2(V) 补偿电极1(V) 补偿电极2(V)<br />
9:50 -1.080 -0.001 -42.9 -25.2<br />
10:10 -1.084 -0.002 -42.9 -20.8<br />
10:30 -0.792 -0.002 -42.9 -18.8<br />
11:00 -0.907 -0.001 -42.9 -18.4<br />
11:50 -0.900 -0.001 -42.9 -19.1<br />
14:40 -1.081 0.000 -42.9 -19.2
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
photon counts /0.5s<br />
1300<br />
1200<br />
1100<br />
1000<br />
900<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
60Mhz<br />
0<br />
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0<br />
线形分析(单离子<br />
线形分析 单离子)<br />
Local heating<br />
397nm scan frequency ( Ghz )<br />
060704 cooling scan signal<br />
PRA40, 808(1989)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
两个离子的信号
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
photon counters(/0.5s)<br />
4500<br />
4000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
V AC<br />
2006.06.14<br />
=150V<br />
-800 -600 -400 -200 0 200<br />
scanning 397nm Laser Frequency(MHz)<br />
“云态”表征了离子的一种无序状态<br />
有序的结构,“离子晶体”<br />
当离子的运动动能小于离子间的<br />
Coulomb势时<br />
离子云到离子晶体的相变<br />
photon counts /0.5s<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
060614 cooling scan signal<br />
397nm scan order<br />
1<br />
2<br />
3<br />
100MHZ<br />
shut down 866nm and 397nm laser<br />
0<br />
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0<br />
397nm scan frequency ( Ghz )
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
photon counts /0.5s<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
060614 cooling scan signal<br />
Dark resonance<br />
0<br />
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7<br />
397nm scan frequency ( Ghz )<br />
暗态<br />
由于冷却和回泵光频率的失谐量相同时,将离子泵浦到离子的<br />
相干叠加态而形成的“相干布局囚禁”(CPT)<br />
photon counts /0.5s<br />
2000<br />
1000<br />
060623 cooling scan signal<br />
Micromotion<br />
Dark resonance<br />
0<br />
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1<br />
397nm scan frequency ( Ghz )
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
photon counts 10 4 /s<br />
0.34<br />
0.33<br />
0.32<br />
0.31<br />
0.30<br />
0.29<br />
0.28<br />
0.27<br />
0.26<br />
0.25<br />
-800 -600 -400 -200 0 200<br />
397nm laser frequency MHz<br />
Chin. Phys. Lett.22, 1641(2005)<br />
单离子的荧光信号<br />
Photon Count/0.5s<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
2006.08.31<br />
34MHz<br />
0<br />
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000<br />
Frequency MHz<br />
信号本底比为10∶1<br />
离子温度<br />
Chin. Phys. lett 24,1217(2007)<br />
≈5mK<br />
离子运动范围≈150nm<br />
接近于Lamb-Dicke区域116nm
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
4 2 P 1/2<br />
TWO<br />
IONS<br />
4 1 S 1/2<br />
BACK<br />
Time<br />
397nm<br />
单个<br />
short lived<br />
( 10 ns )<br />
Ground state of ca +<br />
40 Ca + 离子的量子跃迁<br />
729nm<br />
866nm<br />
Long lived<br />
( 1 s )<br />
Photo Count<br />
3 2 D 5/2<br />
3 2 D 3/2<br />
Copyright © wipm ion trap group
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
4 2 P 1/2<br />
single<br />
ION<br />
4 1 S 1/2<br />
BACK<br />
Time<br />
两个<br />
397nm<br />
40 Ca + 离子的量子跃迁<br />
short lived<br />
( 10 ns )<br />
Ground state of ca +<br />
729nm<br />
866nm<br />
Long lived<br />
( 1 s )<br />
Photo Count<br />
3 2 D 5/2<br />
3 2 D 3/2<br />
Copyright © wipm ion trap group
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
激光光跃迁激发的光路
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
photon counts (10 4 )<br />
0.38<br />
0.36<br />
0.34<br />
0.32<br />
0.30<br />
0.28<br />
0.26<br />
0.24<br />
0 1000 2000 3000 4000<br />
time*0.1s<br />
Chin. Phys. Lett.22, 1641(2005)<br />
Fluorescence [counts/0.3 s]<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0 100 200 300<br />
Time [s]<br />
两个离子的量子跃迁<br />
离子的量子跃迁<br />
Photon counts /0.2s<br />
650<br />
600<br />
550<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
counts(/0.2s)<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
2006.06.07<br />
140 150 160 170 180 190 200 210<br />
tim e(s)<br />
0 20 40 60 80 100<br />
T ( s )<br />
Chin. Phys. lett 24,1217(2007)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
photon counts (/0.1s)<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
单个Ca 单个 Ca + 离子的D态寿命测量<br />
离子的 态寿命测量<br />
0 200 400 600 800<br />
T (s)<br />
273个量子跳跃
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Number of counts/ 50ms bin<br />
160<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
单个 40 40Ca Total number: 1282<br />
Ca + 离子3D 离子 3D<br />
量子跳跃的统计分布的拟合<br />
-20<br />
0 1 2 3 4 5 6<br />
I 397nm<br />
The period of "dark state" [s]<br />
不同“暗态”时间的个数分布<br />
= 25μW, I866nm= 50μW, I729nm= 5μW<br />
5/2<br />
态寿命测量 寿命测量<br />
最小二乘法拟合(LSF)<br />
n( t i ) = A exp( −Rti<br />
1017(40)ms<br />
)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
• 碰撞效应<br />
1<br />
=<br />
1 i i i<br />
+ ∑ nB ( Γ Q +Γ M ) + γ coupling + γ heat<br />
m nat i<br />
τ τ<br />
误差分析(1)<br />
误差分析 (1)<br />
无729nm激光时,平均3分钟2次量子跳跃<br />
∑<br />
i<br />
−2<br />
( Γ +Γ ) = ×<br />
i i i<br />
n 2.5 10 / s<br />
B Q M
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
激光与原子态之间的耦合<br />
2 3<br />
2J2+ 1πc<br />
I<br />
12 = 3 21 ωL −ω12<br />
2J2 + 1ω12<br />
c<br />
R A g(<br />
)<br />
866nm激光:<br />
•与854nm跃迁相差12nm<br />
•功率比较强<br />
误差分析(2)<br />
误差分析 (2)<br />
Γ /2π<br />
g(<br />
ωL− ω ) =<br />
( ) /4<br />
12 2 2<br />
ωL− ω12<br />
+Γ<br />
40 Ca + 离子3D5/2 态寿命与866nm激光功率的关系
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
this work<br />
1024(23)<br />
2005 [24]1176(11)<br />
2004 [22] 1149(18)<br />
2004 [23] 1152(20)<br />
2000 [20] 1168(7)<br />
2000 [21] 1177(10)<br />
1999 [19] 1100(18)<br />
1999 [25] 1090(50)<br />
1997 [18] 969(21)<br />
1996 [16] 1064(17)<br />
1995 [15]994(38)<br />
1994 [14] 1054(61)<br />
1993 [17] 1080(22)<br />
1993 [13] 1240(390)<br />
1992 [12] 770 (70)<br />
测量3D 测量 3D<br />
5/2<br />
态寿命的比较<br />
寿命的比较<br />
500 600 700 800 900 10001100 12001300 140015001600 17001800 19002000<br />
τ [s]<br />
single ion<br />
ion string (five ions)<br />
single ion<br />
single ion<br />
ion string (3 ions)<br />
single ion<br />
ion beam (storage ring)<br />
single ion<br />
ion cloud<br />
ion cloud<br />
ion cloud<br />
single ion<br />
ion cloud<br />
ion cloud
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Sr + 离子光频标的理论和实验<br />
(同NPL NPL合作 合作)
88 Sr + 离子光谱标的实验<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
两个阱离子D态的超精细结构<br />
两个阱中单离子的中心频率的比较 Allan deviations :10-50Hz/over 30seconds<br />
GP Barwood, K. Gao, P. Gill, G. Huang and HA Klein :<br />
IEEE Trans. On Instru. & Meas. 50(2),543(2001)
87 Sr + 超精细结构测量结果<br />
F(D 5/2 ) S 1/2, (F=5)—D 5/2 (F ) S 1/2, (F=4)—D 5/2 (F )<br />
87 Sr + 离子光谱理论和实验<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
7 -226.697<br />
-715.937<br />
6 -264.870<br />
38.17<br />
-754.110<br />
38.173<br />
5.952 5.95<br />
2 -270.822 -760.060<br />
8.234 8.236<br />
3 -279.056 -768.296<br />
2.558 2.558<br />
5 -281.614 -770.854<br />
2.681 2.681<br />
4 -284.295 -773.525<br />
A=2.175(2.5);<br />
B=49.181(46.5)<br />
同位素移动:<br />
248.148(207)<br />
K.Gao, Y. Li, L.Wu, X. Zhu : Frequency Standards and Metrology: P507(2002)<br />
GP Barwood, K. Gao, P. Gill, G. Huang and HA Klein PRA67,013402(2003)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Fe + 同中性原子的电荷转移<br />
3 Fe
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
实验参数<br />
• Trap: r o =9.9mm, 2z o =14mm<br />
• 囚禁场:<br />
Ω / 2π<br />
= 1.<br />
1MHz<br />
Vac=0-3000V<br />
• 本底真空:
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
离子选择的原理图<br />
(a) 全谱,(b)单一Fe3+ 离子的选择囚禁<br />
两图的离子信号未按同一标度
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
实验结果 Fe3+ +H 2 : 1.64(0.22)*10 -10 cm 3 s -1 (T=1.7*10 3 K) 8.4*10 -10<br />
Fe 3+ +N 2 : 4.36(0.46)*10 -9 cm 3 s -1 (T=1.3*104K) 1.1*10 -9<br />
Phys. Rev. A67,022702(2003)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
小结与展望<br />
• 攻克原子冷却的若干“瓶颈”技术,建立了单离子的研究<br />
平台,开展了冷却离子的精密谱理论和实验<br />
• 新颖的离子冷却频标和量子信息的新方案
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
) 高稳定的激光器<br />
将激光锁定在离子跃迁<br />
谱线的伺服环路<br />
Clock Oscillator<br />
High-Q resonator Laser<br />
Laser linewidth < 1 Hz<br />
3) 飞秒光梳测量系统<br />
离子光频标的基本单元<br />
Optical Freq. Synthesizer<br />
Divider<br />
2) 囚禁和冷却离子<br />
Δν<br />
Counter<br />
ν a<br />
ions<br />
Detector<br />
Coherent Optical pulses out<br />
Microwave pulses out
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
729nm 激光器稳频<br />
MBR 110外腔稳频方案
MBR-110外腔稳频方案<br />
729nm 激光器稳频<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
729nm激光稳频光路<br />
材料:Zerodur<br />
腔长:200mm<br />
Spacer外径:100mm,内径10mm<br />
Finesse>250,000<br />
激光与腔的耦合信号
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
黄学人<br />
吴礼金<br />
李 勇<br />
管 桦<br />
李交美<br />
聂宗秀<br />
致谢<br />
郭 彬 刘<br />
朱熙文<br />
曲<br />
• 科学院、国家基金委和科技部<br />
谢谢大家<br />
黄贵龙<br />
舒华林
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