混合阱中低能离子-冷原子-电子碰撞的实验研究

The project would focus on the investigation of collisions among low energy ion-cold atom-electron, which is produced by photoionization on laser cooled rubidium atoms. In such complex many-particle collision system, the role of processes, as slow ion-atom collisions, atom-atom cold collisions, ion-electron collision, three-body recombination, etc., require more precise determinations. Started with the observed abnormal atom heating, using the recently developed hybrid ion-atom setup and joint of multiple detection methods, such as measurements of the number of atoms and ions, measurements of the temperature of the remaining cold atoms, etc., the dynamics of such mixed system can be investigated. Our research would enrich and develop the experimental and theoretical research in many-body dynamics, which are the one of the basic issues of many fields of physics such as atomic, molecular, and optical physics, chemical physics, and plasma physics.

光电离激光冷却的原子产生低能离子、电子及剩余未电离的冷原子，本项目拟研究这样体系中的碰撞过程。我们需要深入了解低能离子-原子碰撞，原子-原子冷碰撞，离子-电子碰撞，三体碰撞复合等过程在其中起的作用。从我们已经观测到的反常原子加热现象出发，利用新近发展的离子-原子混合阱技术，联合使用多种探测方式，如原子和离子数目测量、剩余原子温度测量等，由此研究这样的混合体系动力学演化。我们的研究必能丰富和发展多体动力学问题的实验和理论研究，而多体动力学是原子分子光物理、化学物理、等离子体物理等诸多领域的基本课题之一。

光电离激光冷却的原子可以产生低能离子、电子及剩余未电离的冷原子，本项目研究了这样体系中的碰撞过程。我们在离子-原子混合阱实验装置上，联合冷原子陷俘损失法、离子飞行时间法、剩余冷原子温度探针法等方法对低能离子-原子碰撞、原子-原子冷碰撞等过程进行了研究。主要研究内容和结果有：（1）构建了光电离冷原子过程的速率方程，理论上重现了实验观测到的反常原子加热现象，提出了光电离激光冷却原子产生等离子体的观点和离子-原子碰撞的影响：等离子体导致离子的积累和俘获，离子-原子碰撞的增强导致剩余冷原子的加热。2）研究了离子-原子低能碰撞速率系数与碰撞能量的依赖关系。利用磁光阱中的冷原子数对各种干扰非常敏感的特性，采用由碰撞引起的原子数损失可以作为一个可靠的观测量以确定总的碰撞截面、碰撞速率系数等。利用冷原子陷俘损失法测量了碰撞能量为8000-16000 K范围内的铷离子-铷原子总碰撞速率系数的关键实验数据。（3）研究了冷原子对离子的协同冷却。在原子混合阱研究了冷87Rb原子对 87Rb+离子的协同冷却效应，发现了离子阱参数对协同冷却效果的影响。这对于冷却没有合适光学通道的离子将是非常有意义的。（4）研究了近电离阈值光电离冷原子的物理过程。实验上测量了磁光阱中捕获原子的温度和数量随电离激光波长和强度的变化，发现初始电子温度是影响光电离冷原子产生的复杂体系碰撞动力学的主要因素之一。（5）自电离里德堡的研究。里德堡原子的偶极矩很大, 对外场很敏感, 因此广泛应用于精密测量。我们针对一价镧离子里德堡和自电离里德堡能级开展了相关的研究，分析发现有效量子数n⋆> 67 时里德堡系列量子数亏损平滑性的破坏可以等效为量子数亏损维持平滑性而电离阈值发生降低, 结合等离子体环境下电离势降低现象, 这可能意味着高n的里德堡级受到了第二步激发过程中镧原子光电离产生的等离子环境的影响，这为探索等离子体环境提供了新的方法。我们的研究丰富和发展多体动力学问题的实验和理论研究。