22.08.2013 Views

高克林 - 中国科学院物理研究所

高克林 - 中国科学院物理研究所

高克林 - 中国科学院物理研究所

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

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


国家自然科学基金委员会<br />

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


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)


国家自然科学基金委员会<br />

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


国家自然科学基金委员会<br />

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!