一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法技术

本发明专利技术涉及一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法：首先进行囚禁少离子系综原始参数的评估、囚禁电磁场参数的确立、囚禁少离子系综模型的建立；而后基于该模型对囚禁少离子系综温度

【技术实现步骤摘要】
一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法


[0001]本专利技术涉及一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法，属于囚禁离子频标与质谱


技术介绍

[0002]囚禁于四极线形离子阱中的单离子或链状离子体系，其径向运动可以用Mathieu方程描述：
[0003][0004]其中，r为离子系综在径向中心平面的坐标矢量，r＝(x,y)，x,y分别为离子系综在径向中心平面直角坐标系下x方向和y方向坐标。a
x
、q
i
、ξ均为无量纲参数，a
x
代表离子的轴平面x方向稳定囚禁参数、a
y
代表离子的轴平面y方向稳定囚禁参数、q
x
代表离子的径向平面x方向稳定囚禁参数、q
y
代表离子的径向平面y方向稳定囚禁参数、ξ代表时间演化相位参数。
[0005][0006][0007][0008]其中，M为离子的质量，κ
r
为离子阱的径向几何因子参数，Ω
rf
和U
rf
分别为射频势的频率和振幅，U
dc
为施加在射频场上的静态直流偏置电压。Q为离子所带电荷数，r0为离子阱中心到电极表面的最小距离，t为时间。
[0009]当(|a
i
|,q
i2
)＜＜1，并考虑到离子囚禁中的一些非理想特性时，离子会偏离射频最低势场一定距离r
DC
，由此引入会引入一个与射频频率相关的量r
DC<br/>q
x
cos(Ω
rf
t)/2，称之为离子的附加微运动，其幅度为q
x
r
DC
/2。特定势场参数下，离子的附加微运动幅度仅与r
DC
相关。实验中通过尽可能的提升离子阱结构及射频势场的对称性，并配合适当的静电偏置势场，可将r
DC
控制在亚微米级范围，进而抑制附加微运动效应至可忽略的层次。此时离子的运动仍然存在一个与射频频率相关的量r
s
cos(ω
r
t)cos(Ω
rf
t)q
x
/2，我们称之为离子的本征微运动，其幅度为r
s
q
i
/2。囚禁离子在等效赝势近似下满足谐振子模型，其谐振频率为ω
r
，与其相关的运动效应我们称之为离子的久期运动，其幅度为r
s
。
[0010]基于激光(多普勒及边带)冷却可将单离子或链状离子体系冷却至接近质心运动的基态，实现久期运动与本征微运动的极大抑制。因此囚禁单离子或链状离子体系的各类运动效应均可得到有效抑制，是一个非常理想的量子体系，目前在单离子光钟，量子逻辑光钟、量子计算、协同冷却及少离子体系精密谱中得到广泛应用。
[0011]线形射频阱囚禁离子的各类应用中，增加囚禁离子数目有助于提高离子各维度间
的耦合强度、提高荧光收集的信噪比、加速冷化学反应效率。但是大量离子同时囚禁时，离子间的空间电荷效应不可忽略，离子系综呈现出3D结构特征。
[0012]3D离子系综的附加微运动仍然可以通过位置补偿的方法抑制到微米精度。3D离子系综的久期运动仍然可以通过激光冷却抑制至低温晶态。但是空间电荷效应主导下3D离子系综的本征微运动表现出明显不同于单离子或链状离子系综的特征。3D离子系综即使冷却至晶态，其本征微运动能量也会高出久期运动能量数个量级。离子的各类应用中经常需要对离子的冷却过程与量子态制备、操作、探测过程进行分时操作。单离子或链状离子体系在没有冷却光的参与下可以维持较长时间，满足了各类量子调控应用要求。但是3D离子系综受本征微运动的影响，一旦中断冷却光作用，离子系综会急剧加热，部分离子甚至会逃逸出囚禁区。这一现状严重制约了3D离子系综的量子态调控效能。长期以来该方面的研究主要关注附加微运动的补偿与抑制，并未系统研究本征微运动对应用效能的影响；关于本征微运动的以往少量研究，也主要为定性结论，尚未形成精确、量化分析方法。因此量化分析3D离子系综中本征微运动的作用机理，评估其对离子操控过程的影响，探寻3D离子系综本征微运动的精密调控及抑制方法，是实现3D离子系综低加热率囚禁与精密操控的关键，将有助于3D离子系综的各类应用工作。
[0013]文献中涉及到的离子系综微运动评估、调控主要为附加微运动的评估与调控，对于单离子和链状离子系综主要采用射频光子关联的方法进行附加微运动评估，使用叠加静电势方法进行附加微运动补偿。对于3D大离子系综，由于外层离子的射频调制附加微运动各向异性，射频
‑
光子关联方法中微运动复合效应导致关联信号相干相消，不利于附加微运动的补偿。3D大离子系综在调控射频等效赝势强度过程中，离子的附加微运动与位置出现关联效应，因此使用位置
‑
静电势补偿方法可以实现3D大离子系综附加微运动的调控。本征微运动在所有离子体系中普遍存在。特别是3D大离子系综的本征微运动特征越专利技术显，并一定程度制约着离子系综低加热率囚禁与精密操控应用。但是关于本征微运动的评估，以往主要是一些基于理想模型的定性分析，与实际匹配的失真较大，一直未专门进行量化调控。面向新型精密测量与频标中的应用主要存在以下问题：
[0014](1)、少离子系综的射频光子关联附加微运动评估与静电势补偿方法，不适合于3D大离子系综。少离子系综完成附加微运动优化后，离子系综处于赝势阱中心，本征微运动效应尚不构成精密测量应用的短板。因此该方法对3D大离子系综的借鉴意义极为有限。
[0015](2)、3D大离子系综的附加微运动位置
‑
静电势补偿方法可以实现3D大离子系综附加微运动的调控，但对评估、调控本征微运动的效果极为有限。各类应用中3D大离子系综在射频势场内出现空间立体分布，本征微运动能量急剧增加。但在实验探测上，常规正交探测方法，获得的离子系综的几何中心面信息，该信息与本征微运动在方向上正交，因此无法获得本征微运动信息。总之3D大离子系综尚缺乏本征微运动量化评估方法，相应的调控也仅限于理想模型计算，很难做到量化。
[0016](3)、上述两种分析、调控方法，都主要适用于离子系综的附加微运动。针对3D离子系综的本征微运动评估及调控需求，现有方法较难应用。

技术实现思路

[0017]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术无法量化评估调控离子本征微运动的不
足，提供一种离子系统本征微运动的含时动力学量化调控方法，基于囚禁离子系综动力学信息精细反演本征微运动与久期运动的3D关联耦合特征，解耦出本征微运动的瞬态演化特性，并进行调控，解决以往本征微运动与附加微运动在数值分析及实验测量中未解耦、不量化的问题。
[0018]本专利技术解决技术问题的方案是：一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法，该方法包括如下步骤：
[0019]S1、建立少离子系综的电磁场囚禁试验装置，使得少离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法，其特征在于包括如下步骤：S1、搭建少离子系综的电磁场囚禁试验装置，使得少离子系综稳定囚禁于四极线形离子阱几何中心，以少离子系综的原始参数及电磁场参数为初值条件，根据离子系综的马修动力学方程，构建囚禁少离子系综的射频动态束缚模型，并优化囚禁离子稳定区电磁场；S2、基于囚禁少离子系综的射频动态束缚模型，对囚禁少离子系综温度
‑
荧光展宽效应进行评估，得到少离子系综的久期运动温度，判断该久期运动温度是否处于平衡态温度极小值区域，如果是，进入步骤S3，否则，通过射频光子关联微运动补偿方法，重新执行步骤S1和步骤S2，持续迭代优化电磁场，压制离子的附加微运动强度，抑制离子系综的加热率，最终确保离子系综处于平衡态温度极小值区域；S3、往电磁场囚禁少离子系综的试验装置注入离子，扩充离子数量，使离子呈现3D系综特征，考虑增加离子数引起的空间电荷效应，将步骤S1建立的囚禁少离子系综射频动态束缚模型进行适应性优化改造，得到3D离子系综动力学模型；基于该3D离子系综动力学模型，提取3D离子系综的傅里叶转换运动频谱，判断3D离子系综的傅里叶转换运动频谱与离子久期运动激发频谱是否一致，如果不一致，则优化离子阱几何因子，重新执行步骤S1～步骤S3，否则，进入步骤S4；S4、在S3建立的3D离子系综动力学模型基础上，评估3D离子系综特征温度，提取本征微运动与久期运动的耦合特性，解耦出本征微运动的瞬态过程；S5、调控3D离子系综预设空间构型下的本征微运动，判断调控后的3D离子系综久期运动是否满足准绝热动力学条件，如何不满足，则优化电磁场参数，重新执行步骤S3～步骤S5；如果满足，则结束。2.根据权利要求1所述的一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法，其特征在于所述囚禁少离子系综的射频动态束缚模型表征了离子系综的等效久期运动、微运动及等效谐振势，具体表达式为：其中，t为时间，a为离子的轴平面x方向稳定囚禁参数的绝对值,q为离子的径平面x方向稳定囚禁参数的绝对值；为离子的径平面x方向稳定囚禁参数的绝对值；其中，Q为离子的电荷，M为离子的质量，Ω为射频势的频率，U
rf
为射频势的振幅、U
dc
为施加在射频场上的静态直流偏置电压、κ
r
为离子阱的径向几何因子参数、r0为离子阱几何中心到离子阱表面的最小径向距离。3.根据权利要求1所述的一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法，其特征在于所述步骤S1中，所述囚禁少离子系综原始参数包括离子的质量M、离子的电荷Q、少离子系综的离子数N；所述囚禁电磁场参数包括射频势的频率Ω，射频势的振幅U
rf
、施加在射频场上的静态
直流偏置电压U
dc
、离子阱的径向几何因子参数κ
r
、离子阱的轴向几何因子参数κ
z
、离子阱几何中心到离子阱表面的最小径向距离r0、谐振匹配下离子阱的等效电容值C、势阱深度D。4.根据权利要求1所述的一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法，其特征在于所述步骤S1中优化囚禁离子稳定区电磁场的具体步骤为：S1.1、基于LC谐振等效电容法测量谐振匹配下离子阱的等效电容值C，根据等效电容值C，结合容抗匹配电路原理计算得到囚禁离子电磁场等效赝势模型中的频率Ω范围；S1.2、对等效赝势模型下的离子系综的势阱深度进行评估，并在囚禁离子电磁场等效赝势模型中的频率Ω范围约束下，反演确定理论最优射频势参数区间，使得射频势参数区间内离子的径向稳定囚禁参数q在[0.2,0.3]之内；所述射频势参数包括射频势的频率Ω，射频势的振幅U
rf
；S1.3、将步骤S1.2确定的理论最优射频势参数区间带入LC谐振试验系统优化LC谐振电路谐振匹配性，得到优化射频势；S1.4、采用物理场建模软件建立理论最优射频势参数下离子阱囚禁空间的三维动态势模型，调控三维动态势模型轴向几何因子，使其与双曲面理想谐振势模型轴向一致，从而获得离子阱的轴向几何因子参数κ
z
；调控三维动态势模型径向几何因子，使其与双曲面理想谐振势模型径向一致，从而获得离子阱的径向几何因子参数κ
r
；S1.5、根据待调控离子类型及离化方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜丽军，蒙艳松，贺玉玲，韩虹，张立新，谢军，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：