线形离子阱中离子微运动的探测与补偿

Trapped cold ions in linear Paul traps are recognized as important candidates for studying high-accuracy spectroscopy and optical frequency standards. In the linear traps, ion micromotion can increase the ion temperature, alter the atomic transition lines, and cause the second-order Doppler shift of the atomic transition lines.Therefore minimization of the ion micromotion is one of the critical techniques in high-accuracy ion trap experiment. Micromotion of the ions can be caused by stray static fields or phase difference between the trap electrode potentials. For micromotion caused by stray static fields several techniques have been developed to detect and compensate it. However, less study has been performed on micromotion caused by phase difference. In this proposal we plan to study methods to minimize the ion micromotion using our ion trap system. We will detect micromotion by RF-photon correlation technique and RF potential modulation technique. The compensation electrodes will be used to compensate micromotion caused by stray static fields. A bifilar-helical-drive-circuit will be used to compensate micromotion caused by phase difference. This proposal will lay a foundation for realizing high-accuracy spectroscopy and optical frequency standards in the future.

囚禁在线形离子阱中的冷离子被认为是进行高精度光谱学以及光频标研究的重要候选对象。在线形离子阱中，离子微运动会增加离子的温度，改变跃迁谱线的线型以及造成谱线的二阶多普勒频移。因此减小离子的微运动是进行高精度离子阱实验的关键技术之一。离子微运动的来源包括杂散静电场和线电极间相位差两类。对杂散静电场带来的离子微运动，国际上已有一些技术用来探测和补偿，但对于线电极相位差带来的离子微运动的研究不多。本项目拟利用我们的离子阱实验平台研究减小离子微运动的方法。我们将结合射频-光子关联技术和调制射频场技术进行离子微运动的探测，利用补偿电极补偿杂散静电场带来的离子微运动，利用双螺旋型离子阱驱动电路实现对线电极相位差带来的微运动的补偿。本项目的研究将为未来实现高精度的光谱学以及光频标奠定基础。

囚禁在线型离子阱中的冷离子是进行高精度光谱学以及量子信息处理等方面研究的有用工具。在线型离子阱中，离子微运动会增加离子的温度，改变跃迁谱线的线型以及造成谱线的二阶多普勒频移。因此减小离子的微运动是进行高精度离子阱实验的关键条件之一。为了减小离子微运动，一方面需要一个好的离子阱驱动电路来对非共振频率成分进行滤波，另一方面需要优化设计离子阱电极的尺寸结构来减小离子阱中心区域电势场的非谐项，针对这两个问题我们展开了以下具体研究。.在离子阱驱动电路方面，当驱动电路也即螺旋共振器接上离子阱负载后，共振频率和Q值会有变化，而已有模型并不能准确给出具体变化是多少，我们提出了新的电路模型来预测带负载后离子阱驱动电路的Q值和共振频率，并且根据理论模型搭建了离子阱驱动电路及其测试系统，对不同负载的情况进行了实验测量，实验结果与理论模型非常吻合。这对于需要预先确定离子阱共振频率的场合有关键的作用。同时还研究了尽可能提高Q值的方法，以使得带负载的驱动电路Q值仍有200以上。.在离子阱结构设计方面，对于目前广泛使用的线型离子阱提出了优化的结构方案，保证较高的荧光采集率的同时进一步降低离子阱中心区域的电势分布高阶项大小，较高的荧光率将大大缩减光频标执行时需要的探测时间，提高系统的稳定度指标，而离子阱区域电势高阶项的减小则会有效减小加热率、延长离子相干时间。优化设计的离子阱电极表面距阱中心最近距离为0.8mm，电极前端半径为0.3mm，荧光收集立体角达到0.8 Sr，其高阶电势项的相对强度为10%。.以上这些研究成果不仅可以为今后离子光频标的发展起到重要的支撑作用，而且对量子信息与模拟、精密光谱测量等领域的离子阱实验技术有促进作用。