eng
Полученные ионы магния захватываются ловушкой и затем охлаждаются. Это дает возможность создавать 2D-кулоновские кристаллы, которые используются в последующих измерениях.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.58.61
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.58.61
Экспериментальная работа исследовательской группы строится на захваченных ионных системах и нацелена на (i) достижение более глубокого понимания сложной динамики, которая находится под влиянием или даже управлением квантовых эффектов и (ii) достижение контроля над отдельными атомами и молекулами на самом высоком уровне, чтобы построить систему (модель) многих тел. Кроме того, мы проводим исследования в области объединения оптических ловушек для ионов и нейтральных атомов [1]. Недавно нами был продемонстрирован метод лазерной спектроскопии высокого разрешения на основе квантовых эффектов [2].
Общей проблемой всех проектов нашей группы являются высокие требования к лазерным системам для контроля внутренних и внешних степеней свободы ионов. Таким образом наша работа сильно зависит от инновационных лазерных технологий, которые являются удобными для пользователя и могут использоваться как универсальный инструмент для работы с различными видами атомных частиц, изотопами и их комбинациями.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Топологически защищенные дефекты в кулоновких кристаллах могут быть пригодны для возбуждения дискретных солитонов. В процессе образования кристалла система будет стремиться к идеальному порядку структуры (минимуму энергии). Если фазовый переход протекает слишком быстро для взаимодействия разных частей кристалла, идеальную кристаллическую структуру образуют подсистемы частиц, становясь несоразмерными по краям. Эти дефекты могут осциллировать как захваченные квазичастицы в самоиндуцированном запирающем потенциале внутри кристалла [3,4].
Для изучения этих дефектов мы помещаем от 10 до 50 ионов в радиочастотную ловушку путем фотоионизации теплового пучка атомов магния в области захвата. В ловушку необходимо поместить изотопически чистый кристалл из печи, наполненной природным магнием, который богат изотопами (79% 24Mg, 10% 25Mg, и 11% 26Mg).
Так как ионизация атомов происходит в результате двухфотонного процесса (рис.2), мы можем выборочно захватывать различные изотопы. На первом этапе ионизации резонансно возбуждается электрический дипольный переход в нейтральном атоме магния, на втором нерезонансном этапе атом ионизируется. Так как частотный сдвиг первого перехода (~285,3 нм) зависит от массы изотопа, можно выбрать 3 конкретных изотопа [5]. Возбуждая ионы на длине волны ~279,6 нм, мы регистрируем флуоресцентное излучение отдельных ионов CCD камерой (полученное изображение представлено на рис.1)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ C-WAVE
Источник излучения C-WAVE в описанном эксперименте используется для фотоионизации. Излучение с длиной волны 570,6 нм по оптоволокну (эффективность сопряжения с оптоволокном >70%) передается на кристалл BBO, помещенный в самодельный внешний кольцевой резонатор, где происходит удвоение частоты: видимое излучение преобразуется в УФ (см. рис.3). Выходное УФ излучение (мощностью несколько мВт), полученное в результате генерации второй гармоники, совмещают со вторым пучком УФ излучения на длине волны 279,6 нм (генерируется другой лазерной системой). Оба пучка без помощи оптоволокна направляют в сверхвысоковакуумную камеру, где установлена ловушка.
Пучки параллельны центральной области захвата. Первый пучок ионизирует нейтральные атомы магния, в то время как второй пучок охлаждает захваченные атомы (доплеровское охлаждение) до образования кристаллической структуры. Ионы захвачены запирающим потенциалом, образованным в результате объединения радиочастотного и электрического. Для обеспечения изотопно-обогащенного ионного захвата часть излучения источника C-WAVE направляют в прибор для спектроскопии насыщения без доплеровского уширения с йодной ячейкой (см. рис.3). Данный прибор используют для задания стандарта частоты и точной перестройки ОПГ C-WAVE.
На рис.4 представлен спектр, зарегистрированный в результате облучения йодной ячейки излучением с длиной волны 570,6 нм. Измеренный спектр в пределах нескольких МГц совпадает с расчетным спектром [6].
Система C-WAVE полностью интегрирована в наш эксперимент по захвату ионов. Благодаря ее широкому диапазону перестройки (от 450 до 650 нм), узкой ширине спектральной линии (<1 МГц) и мощности выходного излучения до 0,5 Вт, C-WAVE представляет собой непрерывный источник лазерного излучения, который отлично подходит для различных применений спектроскопии и квантово-оптических экспериментов.
ЛИТЕРАТУРА
1. T.Huber, A.Lambrecht, J.Schmidt, L.Karpa, T.Schaetz. A far-off-resonance optical trap for a Ba+ ion. – Nat Comm. 5, (2014).
2. G.Clos, M.Enderlein, U.Warring, T.Schaetz, D.Leibfried. Decoherence-Assisted Spectroscopy of a Single Mg+ Ion. – Phys. Rev. Lett. 112, 113003 (2014).
3. M.Mielenz, J.Brox, S.Kahra, G.Leschhorn, M.Albert, H.Landa, B.Reznik, T.Schaetz. Trapping of Topological-Structural Defects in Coulomb Crystals. – Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 133004.
4. H.Landa, J.Brox, M.Mielenz, B.Reznik, T.Schaetz. Structure, Dynamics and Bifurcation of Discrete Solitons in Trapped Ion Crystals. – New J. Phys. 15 (2013) 093003.
5. N.Kjaergaard, L.Hornekaer, A.Thommesen, Z.Videsen, M.Drewsen. Isotope selective loading of an ion trap using resonance-enhanced two-photon ionization. – Applied Physics B: Lasers and Optics 71, 207 (2000).
6. H.Knoeckel and E.Tiemann. Computer code IodineSpec5, 2013.
Общей проблемой всех проектов нашей группы являются высокие требования к лазерным системам для контроля внутренних и внешних степеней свободы ионов. Таким образом наша работа сильно зависит от инновационных лазерных технологий, которые являются удобными для пользователя и могут использоваться как универсальный инструмент для работы с различными видами атомных частиц, изотопами и их комбинациями.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Топологически защищенные дефекты в кулоновких кристаллах могут быть пригодны для возбуждения дискретных солитонов. В процессе образования кристалла система будет стремиться к идеальному порядку структуры (минимуму энергии). Если фазовый переход протекает слишком быстро для взаимодействия разных частей кристалла, идеальную кристаллическую структуру образуют подсистемы частиц, становясь несоразмерными по краям. Эти дефекты могут осциллировать как захваченные квазичастицы в самоиндуцированном запирающем потенциале внутри кристалла [3,4].
Для изучения этих дефектов мы помещаем от 10 до 50 ионов в радиочастотную ловушку путем фотоионизации теплового пучка атомов магния в области захвата. В ловушку необходимо поместить изотопически чистый кристалл из печи, наполненной природным магнием, который богат изотопами (79% 24Mg, 10% 25Mg, и 11% 26Mg).
Так как ионизация атомов происходит в результате двухфотонного процесса (рис.2), мы можем выборочно захватывать различные изотопы. На первом этапе ионизации резонансно возбуждается электрический дипольный переход в нейтральном атоме магния, на втором нерезонансном этапе атом ионизируется. Так как частотный сдвиг первого перехода (~285,3 нм) зависит от массы изотопа, можно выбрать 3 конкретных изотопа [5]. Возбуждая ионы на длине волны ~279,6 нм, мы регистрируем флуоресцентное излучение отдельных ионов CCD камерой (полученное изображение представлено на рис.1)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ C-WAVE
Источник излучения C-WAVE в описанном эксперименте используется для фотоионизации. Излучение с длиной волны 570,6 нм по оптоволокну (эффективность сопряжения с оптоволокном >70%) передается на кристалл BBO, помещенный в самодельный внешний кольцевой резонатор, где происходит удвоение частоты: видимое излучение преобразуется в УФ (см. рис.3). Выходное УФ излучение (мощностью несколько мВт), полученное в результате генерации второй гармоники, совмещают со вторым пучком УФ излучения на длине волны 279,6 нм (генерируется другой лазерной системой). Оба пучка без помощи оптоволокна направляют в сверхвысоковакуумную камеру, где установлена ловушка.
Пучки параллельны центральной области захвата. Первый пучок ионизирует нейтральные атомы магния, в то время как второй пучок охлаждает захваченные атомы (доплеровское охлаждение) до образования кристаллической структуры. Ионы захвачены запирающим потенциалом, образованным в результате объединения радиочастотного и электрического. Для обеспечения изотопно-обогащенного ионного захвата часть излучения источника C-WAVE направляют в прибор для спектроскопии насыщения без доплеровского уширения с йодной ячейкой (см. рис.3). Данный прибор используют для задания стандарта частоты и точной перестройки ОПГ C-WAVE.
На рис.4 представлен спектр, зарегистрированный в результате облучения йодной ячейки излучением с длиной волны 570,6 нм. Измеренный спектр в пределах нескольких МГц совпадает с расчетным спектром [6].
Система C-WAVE полностью интегрирована в наш эксперимент по захвату ионов. Благодаря ее широкому диапазону перестройки (от 450 до 650 нм), узкой ширине спектральной линии (<1 МГц) и мощности выходного излучения до 0,5 Вт, C-WAVE представляет собой непрерывный источник лазерного излучения, который отлично подходит для различных применений спектроскопии и квантово-оптических экспериментов.
ЛИТЕРАТУРА
1. T.Huber, A.Lambrecht, J.Schmidt, L.Karpa, T.Schaetz. A far-off-resonance optical trap for a Ba+ ion. – Nat Comm. 5, (2014).
2. G.Clos, M.Enderlein, U.Warring, T.Schaetz, D.Leibfried. Decoherence-Assisted Spectroscopy of a Single Mg+ Ion. – Phys. Rev. Lett. 112, 113003 (2014).
3. M.Mielenz, J.Brox, S.Kahra, G.Leschhorn, M.Albert, H.Landa, B.Reznik, T.Schaetz. Trapping of Topological-Structural Defects in Coulomb Crystals. – Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 133004.
4. H.Landa, J.Brox, M.Mielenz, B.Reznik, T.Schaetz. Structure, Dynamics and Bifurcation of Discrete Solitons in Trapped Ion Crystals. – New J. Phys. 15 (2013) 093003.
5. N.Kjaergaard, L.Hornekaer, A.Thommesen, Z.Videsen, M.Drewsen. Isotope selective loading of an ion trap using resonance-enhanced two-photon ionization. – Applied Physics B: Lasers and Optics 71, 207 (2000).
6. H.Knoeckel and E.Tiemann. Computer code IodineSpec5, 2013.
Отзывы читателей
