本文關(guān)鍵詞：線形離子阱中離子晶體的動(dòng)力學(xué)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是表征電磁相互作用強(qiáng)度的物理量,量子電動(dòng)力學(xué)(QED)理論是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的重要組成部分,精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的精確測(cè)定和QED理論的檢驗(yàn)是目前物理學(xué)上重要的基礎(chǔ)研究課題。少電子原子精細(xì)能級(jí)分裂的高精度測(cè)量是確定精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和檢驗(yàn)QED理論的重要方法,因此實(shí)現(xiàn)少電子原子的冷卻至關(guān)重要。激光冷卻技術(shù)廣泛應(yīng)用于囚禁離子研究中,采用Doppler冷卻可以將離子體系冷卻到mK量級(jí)的結(jié)晶態(tài)。協(xié)同冷卻技術(shù)的實(shí)現(xiàn),使離子的冷卻不依賴于其自身的能級(jí)結(jié)構(gòu),將該技術(shù)與激光冷卻技術(shù)相結(jié)合逐步發(fā)展成為實(shí)驗(yàn)中獲得mK量級(jí)低溫離子體系的一種普適方法。利用冷卻的Li+離子精確測(cè)量精細(xì)能級(jí)分裂成為確定精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和檢驗(yàn)QED理論的重要可行方案之一,也成為確定原子結(jié)構(gòu)信息的重要途徑之一。在精確測(cè)量Li+離子的精細(xì)能級(jí)分裂的光譜實(shí)驗(yàn)中,對(duì)離子的動(dòng)力學(xué)研究具有非常重要的意義。本論文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面系統(tǒng)研究了激光冷卻40Ca+離子晶體及40Ca+協(xié)同冷卻7Li+和CaOH+等不同質(zhì)荷比離子體系的動(dòng)力學(xué)特征。主要內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面：1.搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。包括：建立了r0=3.50 mm, R0=4.00 mm的分段線形阱系統(tǒng),本底真空達(dá)到7.5×10-9Pa；設(shè)計(jì)并完成囚禁與操控離子所需要的射頻與直流控制系統(tǒng),射頻頻率Ω的可調(diào)范圍為2.5-4.5 MHz,射頻幅度Urf的可調(diào)范圍為60-450V,控制精度為0.3%,外加補(bǔ)償電場的調(diào)控精度為1 mV；搭建了光電離、激光冷卻和光譜探測(cè)40Ca+和7Li+所需的激光系統(tǒng)。2.在線形阱中成功實(shí)現(xiàn)不同數(shù)目40Ca+離子的囚禁和激光冷卻,并分析了其中的動(dòng)力學(xué)特征。分別基于PMT和EMCCD觀察到離子晶體的熒光光譜和空間構(gòu)型；實(shí)現(xiàn)了離子晶體1μm精度的位置和形狀三維調(diào)控；實(shí)現(xiàn)了離子體系的提純和選擇性囚禁；提出基于離子晶體形狀調(diào)控和光學(xué)成像相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)了三維離子晶體微米精度的附加微運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。三維離子晶體冷卻到5 mK,囚禁時(shí)間長達(dá)15天。系統(tǒng)分析了40Ca+離子晶體的空間構(gòu)型、溫度分布、振動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)相變等特征；以離子的低溫密度理論為基礎(chǔ),配合對(duì)實(shí)驗(yàn)中離子晶體尺寸的精確測(cè)量,將mK量級(jí)低溫離子晶體中離子數(shù)目的誤差精度評(píng)估到4%以內(nèi)。3.開展射頻場中離子的激光冷卻與協(xié)同冷卻動(dòng)力學(xué)過程分析。研究了實(shí)驗(yàn)中各類典型混合離子晶體的空間構(gòu)型,協(xié)同冷卻的機(jī)制與效率、協(xié)同冷卻的溫度-時(shí)間演化特征；定量分析了冷卻效率、平衡態(tài)溫度與囚禁勢(shì)場、冷卻與加熱力以及離子質(zhì)荷比之間的關(guān)系；提出通過添加中間質(zhì)荷比(緩沖)離子的方法來提高大質(zhì)荷比差異下離子的協(xié)同冷卻效率,從而降低混合離子體系的平衡態(tài)溫度。
【關(guān)鍵詞】：動(dòng)力學(xué) 附加微運(yùn)動(dòng) 冷卻效率 線形離子阱 離子晶體
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O562
【目錄】：

• 內(nèi)容摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-18
• 第二章 Li~+離子精密光譜基礎(chǔ)18-60
• 2.1 少電子原子體系光譜基礎(chǔ)18-24
• 2.1.1 雙電子原子體系QED理論18-21
• 2.1.2 雙電子原子體系的研究方案與進(jìn)展21-24
• 2.2 離子的囚禁和冷卻24-47
• 2.2.1 離子的囚禁25-34
• 2.2.2 離子的冷卻34-47
• 2.3 離子的動(dòng)力學(xué)計(jì)算47-56
• 2.3.1 數(shù)值計(jì)算的建模48-54
• 2.3.2 離子特征參量的提取54-56
• 2.4 離子晶體的結(jié)構(gòu)相變理論56-58
• 本章小結(jié)58-60
• 第三章 囚禁冷卻Ca~+離子晶體60-122
• 3.1 離子阱系統(tǒng)60-88
• 3.1.1 真空系統(tǒng)60-63
• 3.1.2 分段四極桿線形離子阱與勢(shì)場操控系統(tǒng)63-74
• 3.1.3 激光與探測(cè)系統(tǒng)74-88
• 3.2 離子的產(chǎn)生、冷卻與囚禁88-99
• 3.2.1 離子信號(hào)的探測(cè)88-95
• 3.2.2 離子的附加微運(yùn)動(dòng)抑制95-98
• 3.2.3 ~(40)Ca~+晶體的制備98-99
• 3.3 ~(40)Ca~+離子晶體的動(dòng)力學(xué)特征99-117
• 3.3.1 離子晶體的宏觀特征99-106
• 3.3.2 三維離子晶體的調(diào)控106-117
• 3.4 離子晶體的結(jié)構(gòu)相變特征117-121
• 本章小結(jié)121-122
• 第四章 協(xié)同冷卻的實(shí)現(xiàn)與混合離子晶體動(dòng)力學(xué)122-148
• 4.1 基于協(xié)同冷卻獲得低溫離子體系122-134
• 4.1.1 協(xié)同冷卻離子的產(chǎn)生122-123
• 4.1.2 協(xié)同冷卻體系的平衡態(tài)空間構(gòu)型123-127
• 4.1.3 協(xié)同冷卻體系的平衡態(tài)能量與溫度分布127-134
• 4.2 協(xié)同冷卻離子體系的演化特征與冷卻效率134-147
• 4.2.1 不同質(zhì)荷比協(xié)同冷卻離子下混合離子晶體的空間構(gòu)型135-136
• 4.2.2 離子的溫度耦合效應(yīng)136
• 4.2.3 激光冷卻離子的冷卻效率136-141
• 4.2.4 協(xié)同冷卻離子的冷卻效率141-145
• 4.2.5 不同質(zhì)荷比激光冷卻離子對(duì)~7Li~+的協(xié)同冷卻145-146
• 4.2.6 緩沖離子對(duì)協(xié)同冷卻效率與平衡態(tài)溫度的影響146-147
• 本章小結(jié)147-148
• 第五章 總結(jié)與展望148-156
• 5.1 總結(jié)148
• 5.2 展望148-156
• 5.2.1 基于單條封閉能級(jí)測(cè)量152
• 5.2.2 基于兩條躍遷譜線組成封閉能級(jí)測(cè)量152-154
• 5.2.3 基于三條以上躍遷譜線組成封閉能級(jí)測(cè)量154-156
• 作者簡介及攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文156-157
• 致謝157-159
• 參考文獻(xiàn)159-168

【參考文獻(xiàn)】

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1 杜麗軍;陳婷;宋紅芳;陳邵龍;李海霞;黃W

本文編號(hào)：309074