線形離子阱雜散電場漂移的測量與優化

王淼, 陳正, 黃垚, 管樺, 高克林?

(1 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院波譜與原子分子物理國家重點實驗室, 湖北 武漢 430071;2 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院原子頻標重點實驗室, 湖北 武漢 430071;3 中國科學院大學, 北京 100049)

0 引 言

基于囚禁單個粒子使其與外界環境分隔開來的物理方法,可以為科學實驗提供良好的平臺,對于促進科學實驗的發展具有重要意義。隨著離子阱技術的發展,通過射頻場可以實現把單個離子囚禁于離子阱中[1]。這項技術在光頻標[2?4]、量子信息[5,6]和量子模擬[7,8]等很多實驗領域中都有應用。離子光頻標就是基于離子阱通過射頻場對單個離子進行囚禁而實現的,通過激光冷卻來降低離子的運動速度,然后研制一臺超穩定的窄線寬探測激光器作為本振源,以實現鐘躍遷光譜的探測,并利用飛秒光學頻率梳技術實現由可見光頻率到微波頻率的轉換,最終實現可直接使用的超高穩定度的頻率輸出[9]。然而在射頻場中,離子由于雜散電場、熱運動以及勢場相位差等原因偏離了射頻勢場的鞍點,就會產生微運動[10,11]。因此,在光頻標的實驗中,微運動會使系統頻率測量產生很大的誤差[3]。每次實驗開始之前,都通過外加電場將微運動補償至最佳狀態,以減小其影響。但是由于附著在真空系統的玻窗和倒視窗等電介質上的自由電荷會隨時間衰減,使得離子阱的雜散電場隨時間發生漂移。微運動的影響會逐漸顯現出來,使得在實驗過程中需要不斷地進行補償來減小其影響,這會減少實驗的有效時間。

本文利用氧化銦錫(ITO)導電玻璃對真空系統進行了優化,有效地抑制了線形離子阱系統的雜散電場漂移。通過長時間對離子位置以及補償電壓的測量,計算得到了優化后雜散電場漂移的具體數值是1.63μV·m?1·s?1,相比優化前的結果減小了約2 個數量級,使得在實驗的過程中,微運動的影響可以忽略不計,從而顯著增加了實驗的有效時間。該優化和測量方法對于實驗室之后開展的光頻標和全光囚禁[12]等方面的工作具有重要意義,此外對于其他使用線形離子阱系統作為實驗平臺的各個領域也具有積極的影響。

1 實驗裝置

1.1 離子阱系統

圖1 本實驗所使用的刀片線形離子阱示意圖Fig.1 Schematic diagram of the blade-shape linear trap used in the experiment

r0=9 mm。四塊刀片分為兩對,其中一對分為三段電極:中間一段通過真空接線與整個系統接地,而邊上兩段則分別接上兩個Uendcap= 6 V 的直流電壓源作為帽電極。另外一對刀片則未分段,僅在對應的分段位置進行開口,以保持整體結構的對稱性。頻率為?=2π×1.319 MHz 的射頻場(同相位)通過真空饋通加在該對刀片電極上,用于囚禁離子。金屬支撐架選用強度高、密度相對較小的鈦合金材料,以保證穩定支撐刀片的同時重量不至于過大。刀片與支撐架之間通過四根絕緣桿隔開,絕緣桿的材料為氧化鋁陶瓷,其具有足夠的硬度,在裝配刀片的過程中不容易折斷。支撐架的底部和右側分別配置有補償線,加上直流電壓后可分別用于補償豎直方向和水平方向的附加微運動。補償線同樣為金屬銅表面鍍金而成,具有良好的導電性能。補償線與支撐架之間同樣通過氧化鋁陶瓷進行絕緣連接。通過外部信號源共振激發[13],可以測得正常囚禁狀態下的離子阱宏運動頻率為:徑向宏運動頻率ωr≈2π×388.7 kHz,軸向宏運動頻率ωz≈2π×41.8 kHz。

1.2 成像系統

本實驗采用脈沖激光濺射(PLA)[14,15]來產生40Ca+,然后將經激光場冷卻后的單個離子囚禁于線形阱中,并通過兩臺CCD(Andor iXon)相機對離子進行觀測。圖2 為離子阱成像系統示意圖,兩臺CCD 分別置于X和Z方向,從而可以觀測離子于三維方向中的位置:徑向(X方向)的CCD 可以觀測到離子于徑向的Y方向和軸向Z方向的位置變化,軸向(Z方向)的CCD 可以觀測到離子于徑向的X方向和Y方向的位置變化。改變射頻場的幅度,觀測離子三維方向的位置變化,并通過補償電壓使離子的位置能夠在升降射頻場幅度的過程中保持不變,從而實現對微運動的補償。本實驗中水平(X方向)及豎直(Y方向)微運動的補償精度均可達到10 mV 的量級。

圖2 離子阱成像系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of the ion trap imaging system

1.3 導電玻璃優化后的真空系統

雜散電場漂移主要是由附著在真空系統的玻窗和倒視窗等電介質上的電荷隨著時間的衰減所產生的,因此,為了抑制雜散電場漂移,需要減少電荷附著。本實驗將氧化銦錫(ITO)材料制作的導電玻璃裝配于真空系統玻窗中。ITO 導電玻璃的材料為InSnO2,因其同時具有高導電性能和高透射性能[16],在物理化學等眾多領域均有廣泛應用[17,18]。本實驗定制的ITO 導電玻璃鍍層材料蝕刻面厚度小于1 mm,整體導電玻璃的方阻小于1 ?/mm2,對電荷有著很好的導通效果。如圖3 所示,通過設計加工機械結構,把ITO 導電玻璃固定到真空系統的玻窗和倒視窗內側(超高真空一側),并保持與真空系統共地。這樣在產生離子的過程中,由于高功率脈沖激光濺射所產生的自由電荷,就會附著到ITO 導電玻璃上,進而由真空系統與實驗室所共地線導通到大地,從而實現對雜散電場漂移的抑制。同時該導電玻璃對波長從350 nm到900 nm 的寬帶光譜均有85%以上的透射率,對所通過的激光功率損耗很小,并不會影響到離子的正常囚禁與冷卻。通過分子泵和離子泵組件,優化后的真空系統可以獲取并維持在實驗所需的P= 5×10?9Pa 超高真空度。

圖3 通過機械結構裝配在倒視窗和玻窗內的ITO 導電玻窗實物圖。(a)ITO 導電玻璃的機械結構;(b)ITO 導電玻璃裝配后的倒視窗;(c)ITO 導電玻璃裝配后的玻窗Fig.3 Photograph of the assembled ITO conductive viewport and entrenched viewport with mechanical structure.(a)Mechanical structure for ITO conductive glass;(b)Assembled ITO conductive entrenched viewport;(c)Assembled ITO conductive viewport

2 實驗測量

對于囚禁在離子阱中的離子,射頻場對其的囚禁勢可以表示為簡諧勢場

式中:m為離子的質量,r為離子偏離平衡位置的徑向距離(軸向勢場由帽電極提供,在此不做討論),ω 為離子的徑向宏運動頻率?？紤]雜散電場ε(r)的影響之后,勢場可以寫為

式中q為離子的電荷量。由(2)式可推出,離子的穩定位置為勢場最小的位置,即

圖4 不同射頻幅度下的囚禁諧振勢場示意圖Fig.4 Illustration of the trapping harmonic potential of different RF amplitude

從而得出雜散電場的表達式

通過1.1 節中提到的共振激發可以測得,高射頻下的徑向宏運動頻率為ωh≈2π×388.7 kHz,低射頻下的徑向宏運動頻率為ωl≈2π×95.7 kHz,再由CCD 上離子的位置坐標變化測出?r即可計算出雜散電場。

為了測量雜散電場隨時間的漂移,需要得到在一段時間內的雜散電場的變化。實驗過程中,在一段時間內不斷地對離子進行補償(平均每30 min 補償一次),保持其位置不變,記錄補償電壓的變化。因此為了得到雜散電場的具體值,需要首先得到補償電壓與雜散電場之間的對應關系。實驗中,先將離子的微運動補償到最佳狀態,然后人為地將補償電壓調節到偏離其最佳值,依然通過改變高低射頻得到此時離子位置的變化?r,然后通過(5)式計算出雜散電場大小,從而得到補償電壓偏移量?U與雜散電場ε(r)的關系。再結合一段時間內補償電壓的變化,計算出最終的雜散電場漂移速度。圖5 為裝配ITO 導電玻璃前后一段時間內(通常為一天內7～8 h)離子阱的雜散電場隨時間的變化。

圖5 離子阱雜散電場在一天內的變化。(a)未裝配ITO 導電玻璃;(b)已裝配ITO 導電玻璃Fig.5 Stray electric fields of the linear ion trap during the day. (a)Without ITO conducting glass;(b)With conducting glass

由圖5 可以計算出裝配前雜散電場的漂移速度為:水平方向(dEx/dt)before=(?2.02±0.24)μV·m?1·s?1;豎直方向(dEy/dt)before= (57.68±1.19)μV·m?1·s?1。而裝配ITO 導電玻璃后,雜散電場漂移速度為:水平方向(dEx/dt)after=(?1.63±0.95)μV·m?1·s?1;豎直方向(dEy/dt)after=(0±1.5)μV·m?1·s?1。

從計算結果可以得出,裝配ITO 導電玻璃后豎直方向的雜散電場漂移速度減小到了0,而水平方向的雜散電場漂移速度相比之前也減小了1/4,整體則減小了將近2 個數量級,這得益于ITO 導電玻璃對可能會附著在系統電介質上的自由電荷的有效導通,實際上由于機械結構較為復雜的原因,部分真空視窗上并沒有裝配ITO 導電玻璃,這使得系統的電介質上仍然有部分電荷附著,導致了水平方向雜散電場漂移不為0。若把真空系統所有的玻窗和倒視窗都裝配上ITO 導電玻璃,則可以進一步減小微運動漂移。

3 結 論

本實驗通過測量與計算得到了一段時間內線形離子阱系統的雜散電場漂移速度,相比之前的結果減小了約2 個數量級,這得益于ITO 導電玻璃對真空系統的優化,其有效導通了可能會附著在系統電介質上的自由電荷,從而在實驗過程中可以忽略不計微運動的影響,增加了實驗的有效時間。對于實驗室之后開展的光頻標和全光囚禁實驗,將直接采用全部視窗均裝配有ITO 導電玻璃的真空系統,進一步降低微運動漂移對實驗的影響。