# 选题

题目：单离子的捕获与优化

任务：基于现有实验平台，实现单个离子的囚禁，并对其稳定性进行优化。

目的：单离子的稳定囚禁，是实现单离子磁场测量的最重要的一环，同时单离子囚禁的稳定性直接影响了磁场测量的精度。

内容：基于现有实验平台，通过 python 编程时序控制，实现离子的捕获。再通过对单离子的多普勒冷却及补偿电极的优化，囚禁离子从离子云态到结晶态的转变。如果囚禁离子为多离子，需进一步优化离子获取程序，最总实现单离子的囚禁。同时需对囚禁单离子的稳定性进行评估及优化。

# 国内外研究现状

$\quad$ 将少数几个以至单个的原子、离子或分子从外部世界孤立出来，“静止” 于一个特定的空间以供观测和研究一 直是广大科学工作者，特别是原子分子物理工作者最强烈的愿望之一。这不仅是了解原子、分子这一层次物质结构的最直截了当的方式，也是对于精确检验量子理论和各种基本物理定律所能提供的最佳实验手段。离子阱就是实现这些手段的最佳候选物理装置之一。
$\quad$ 相较于中性原子而言，离子具有电荷，故陷俘与囚禁也相对容易一些。但根据 $\text{Earnshaw}$ 定理，是无法仅仅使用静电场对带电离子实施囚禁的。但早在上世纪 50 年代，物理学家 J.R.Pierce 在他的著作《电子束的理论与设计》中描述了一个电子陷阱，它能够利用电场和磁场的组合将电子限制在特定的空间区域。这项工作引起了德国物理学家汉斯・德梅尔特（Hans Dehmelt）的注意。他更详细地发展了描述电子在被困时运动的数学，并在 1959 年创造了第一个可以困住电子的 "磁龙" 陷阱！他把这种装置命名为 Penning 阱。与此同时，物理学家沃尔夫冈・保罗 (Wolfgang Paul) 在波恩大学任教期间，于 1953 年提出了 “没有磁场的新型质谱仪”。该质谱仪不仅不需要磁场，而且对于某些几何形状，它还可以限制带电粒子，从而像彭宁陷阱一样，为捕获离子提供了机会，但是不需要强磁场。射频离子阱（也称为 Paul 阱）诞生了。如今，这两种仍然是主流的离子阱设计理念。值得一提的是，今日两种阱型的使用者仿佛分路而行了 —— 做 Penning 阱的人不怎么关注 Paul 阱，做 Paul 阱的人也不太在意 Penning 阱。
$\quad$ 但仅仅利用离子阱将离子囚禁起来，离子在阱中仍然具有较大的温度 (动能)。70 年代，对高分辨光谱实验研究要求消除一阶和二阶 Doppler 频移。这就要求只有少离子被囚禁在阱内，而且离子温度要尽量降低。得利于窄线宽的可调激光器的发明，激光冷却技术得到了显著的发展。在 1975 年，Hansch 和 Schawlow 认识到这种光能够在原子上施加一种巨大的力，并有可能用于冷却，提出了用强的准单色光辐射冷却低密度气体^[1]。这样使得冷却被囚禁的离子成为了可能。
$\quad$ 1978 年，与 Dehmelt 合作的 Heidelberg 小组^[2] 和 Boulder 的 NBS ^[3]小组几乎同时报道激光冷却离子的实验结果。1980 年 Dehmelt 教授与德国的 Toschek 小组合作，首次观测到了激光冷却的 $\text{Ba}^+$^[4]。
$\quad$ 激光冷却和离子囚禁技术的发展并结合开辟了离子阱应用的新篇章。在离子阱中囚禁的单个离子，由于不与其他粒子碰撞而成为孤立的体系，没有碰撞频移与增宽；能长时间地囚禁于阱中与检测场作用，无渡越时间增宽；通过激光冷却可使离子处于近似 “静止” 的状态，还可消除一阶和二阶多普勒频移与增宽。它是在单个原子水平上研究原子物理、量子物理，实现理论物理学家梦想的实验体系。
$\quad$ 我国的离子囚禁领域研究与国外相比起步较晚，但在光频标方面，中国科学院武汉物 理与数学研究所已经取得了一系列成果：2005 年实现了单个钙离子的囚禁和冷却^[5]；2011 年实现了中国首台光频标^[6]；2015 年实现了精度到达 $10^{-17}$ 量级的钙离子光频标^[7]；2020 年，研究团队研制出一台可搬运钙离子光钟，运行率高于 75%，系统不确定度达 $10^{-17}$ 量级，实现了千公里级的车载搬运^[8]。

# 研究的目的和意义

$\quad$ 我们实验室的离子阱平台已搭建好了刀片型 Paul 阱、原子炉、 射频螺旋谐振器等囚禁离子系统，并即将为囚禁系统抽真空，提供一个良好的隔离环境。在完成囚禁离子系统、真空系统和光路的搭建后，我们将开始进行离子的捕获。本课题的研究目的是利用实验室的离子阱平台，捕获单个镱离子，并构建离子囚禁稳定性的评判系统，对影响离子囚禁稳定性的附加微运动进行补偿。
$\quad$ 离子的捕获与优化是进行任何与离子阱相关的实验的基础。例如，光频标是利用被囚禁的单个粒子频标搭建的光学频率标准，由于不存在离子间相互作用引起的频移与增宽效应，可以获得更窄的谱线和更高的稳定度，而离子囚禁的稳定性就是影响光频标准度的一大因素。本课题的研究意义在与优化我们的实验平台，使其能够稳定地囚禁冷却离子，并将此过程的一系列步骤作一定的程序集成化，为后续我们实验平台开展的任务做下基础。

# 选题研究的计划进度及可行性论述

# 已有的实验环境

$\quad$ 实验现有的环境包括（1）囚禁系统中所需要的各种仪器设备和材料，如 AOM、信号发生器、功率放大器、光子计数器、镱粉等；（2）设计以及制作部分控制仪器，如数字信号隔离器和模拟信号隔离器，能够通过程控输出脉冲信号和特殊函数波形的控制信号，并且结合 SWTICH 等设备能够实现对于激光以及微波的时序控制；（3）搭建离子囚禁平台的各个系统，包括设计离子阱的固定支架，完成离子阱各个电极与外界连接的焊接工作，完成离子阱系统结构的安装，搭建了符合离子囚禁需求的激光光路，将光聚焦在离子阱中心，并将激光器设备进行了专门的调试，以满足囚禁离子的波长要求，搭建并调试了荧光成像系统，让荧光能够聚焦至 PMT 阴极，并使用光子计数器对光子信号进行处理与统计；（4）对真空系统进行抽取，为了能够更好地捕获离子以及更稳定地囚禁离子，我们完成了对腔体真空的抽取，经过机械泵预抽、分子泵抽取、烘烤、原子炉除气、钛升华泵吸附等步骤后，我们已经将真空腔抽取至最高 3.0*10^-9Pa，满足了少离子稳定囚禁于阱的需求。

# 可行性论证

$\quad$ 在目前离子阱方向的研究中，已经有一套相对完善的体系用于捕获离子、评估离子囚禁的稳定性和优化囚禁效果。对于我们的 $^{171}\text{Yb}^+$ 离子以及刀片型离子阱，也可以用相同的方案去实现单离子的囚禁与优化。我就我的课题分为如下的几个部分：
$\quad$ 对于离子的载入，可以用 $500\mu W$ 的 $399nm$ 和 $5mW$ 的 $369nm$ 光束对镱原子进行电离，实现 $^{171}\text{Yb}^+$ 离子的载入。再通过 $369nm$ 的多普勒冷却激光实现离子的冷却后被囚禁于射频场中。我们可以通过荧光信号的探测和 CCD 成像来观测到离子是否已经成功载入。此步骤的有两个可以意料到的难点，其一是我们要将 5 个光束进行合光（较高功率的 369nm 光束和 399nm 光束用于电离；较低功率的 369nm 光束用于冷却；以及 760nm 和 935nm 光束用于光泵浦），并使其射向阱的中心，这将会是一个精细活；其二是离子的荧光信号较为微弱，而我们入射的激光在腔内散射造成的杂散噪声较强，因此我们需要对信噪比进行优化。
$\quad$ 对于单粒子的捕获，虽然通过改变脉冲溅射激光的电流大小和脉冲次数，理论上可以实现准确产生和加载单个离子。在此步骤中，激光脉冲操作以微秒计，无法靠人工进行实验，因此我们准备利于 python 编程对激光进行时序控制。但大多数时候仅仅通过改变激光，我们可能会得到多个离子的情况。多个离子的运动比较剧烈，会表现为离子的云态。虽然我们我们所使用的刀片阱结构中，其第一稳定区至多也可以囚禁 2 至 3 个离子，但我们仍然需要考虑将多个离子中获取单离子的方案。现有两个方案，一种是阻挡冷却激光；另一种是降低囚禁势场。两种方案基于的原理相同：离子在离子阱当中由于自身的运动会被不断加热，趋于逃逸出射频势阱。而在射频场所构成的势阱中，有且仅有一个鞍点，在这一点中的离子被囚禁得最稳定，最不容易逃逸，当其他离子被加热逃逸时，往往只剩下该点上的离子被囚禁。且我们在荧光成像系统中加入一个高分辨的 CCD，并且将 CCD 对准我们的阱中心，这有便于我们可以直接观测囚禁离子是数目。
$\quad$ 而对于单离子囚禁评估与优化。而宏运动频率是反映射频场囚禁能力的关键参数，我们可以采用射频共振电路检测的方法来进行测量；而对于影响离子囚禁稳定性的附加微运动，我们可以考虑用跃迁运动边带、 观察荧光谱线型、射频－ 光子关联三种方法进行观测，并通过改变帽电极和补偿电极上所加的直流电压对其进行补偿。
$\quad$ 上述所提到的方案在其他团队中都有所应用并实现^[9][10]，并且我们实验室具备相应的设备条件，因此从单粒子的捕获、囚禁效果的评估到附加微运动的补偿，所有的方案都是可行的，值得进行研究和尝试。

# 进度规划

2024.1-2024.3 完成单离子囚禁，获得离子信号，并实现对囚禁离子的宏运动以及附加微运动的测量与评估
2024.3-2024.4 完成离子囚禁的优化工作，获得稳定的、能够进行后续态操作实验的囚禁离子
2024.4-2024.5 搭建囚禁单离子的集成化程序，完成毕业论文的撰写工作

# 毕业论文（设计）撰写提纲

第 1 章 绪论
1.1 研究背景
1.2 本文研究目的和意义
1.3 本文主要研究内容

第 2 章 Paul 阱
2.1 Paul 阱的工作原理
2.2 离子在 Paul 阱中的宏运动与微运动
2.3 离子在 Paul 阱中的附加微运动

第 3 章 囚禁$^{171}\text{Yb}^+$ 离子系统
3.1 $^{171}\text{Yb}^+$ 离子
3.2 离子阱系统装置
3.3 激光器系统
3.4 荧光探测系统

第 4 章 通过 python 编程时序控制激光
4.1 NI DAQmx
4.2 NI PXIe-6536 板卡
4.3 python 程控 TTL 时序信号

第 5 章 单离子的获取与优化
5.1 单离子的捕获
5.2 宏运动频率的测量
5.3 附加微运动的补偿

第 6 章 总结与展望
6.1 总结与分析
6.2 未来展望

# 参考文献