线形离子阱杂散电场漂移的测量与优化

王淼, 陈正, 黄垚, 管桦, 高克林∗

(1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院波谱与原子分子物理国家重点实验室, 湖北 武汉 430071;2 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院原子频标重点实验室, 湖北 武汉 430071;3 中国科学院大学, 北京 100049)

0 引 言

基于囚禁单个粒子使其与外界环境分隔开来的物理方法,可以为科学实验提供良好的平台,对于促进科学实验的发展具有重要意义。随着离子阱技术的发展,通过射频场可以实现把单个离子囚禁于离子阱中[1]。这项技术在光频标[2−4]、量子信息[5,6]和量子模拟[7,8]等很多实验领域中都有应用。离子光频标就是基于离子阱通过射频场对单个离子进行囚禁而实现的,通过激光冷却来降低离子的运动速度,然后研制一台超稳定的窄线宽探测激光器作为本振源,以实现钟跃迁光谱的探测,并利用飞秒光学频率梳技术实现由可见光频率到微波频率的转换,最终实现可直接使用的超高稳定度的频率输出[9]。然而在射频场中,离子由于杂散电场、热运动以及势场相位差等原因偏离了射频势场的鞍点,就会产生微运动[10,11]。因此,在光频标的实验中,微运动会使系统频率测量产生很大的误差[3]。每次实验开始之前,都通过外加电场将微运动补偿至最佳状态,以减小其影响。但是由于附着在真空系统的玻窗和倒视窗等电介质上的自由电荷会随时间衰减,使得离子阱的杂散电场随时间发生漂移。微运动的影响会逐渐显现出来,使得在实验过程中需要不断地进行补偿来减小其影响,这会减少实验的有效时间。

本文利用氧化铟锡(ITO)导电玻璃对真空系统进行了优化,有效地抑制了线形离子阱系统的杂散电场漂移。通过长时间对离子位置以及补偿电压的测量,计算得到了优化后杂散电场漂移的具体数值是1.63µV·m−1·s−1,相比优化前的结果减小了约2 个数量级,使得在实验的过程中,微运动的影响可以忽略不计,从而显著增加了实验的有效时间。该优化和测量方法对于实验室之后开展的光频标和全光囚禁[12]等方面的工作具有重要意义,此外对于其他使用线形离子阱系统作为实验平台的各个领域也具有积极的影响。

1 实验装置

1.1 离子阱系统

图1 本实验所使用的刀片线形离子阱示意图Fig.1 Schematic diagram of the blade-shape linear trap used in the experiment

r0=9 mm。四块刀片分为两对,其中一对分为三段电极:中间一段通过真空接线与整个系统接地,而边上两段则分别接上两个Uendcap= 6 V 的直流电压源作为帽电极。另外一对刀片则未分段,仅在对应的分段位置进行开口,以保持整体结构的对称性。频率为Ω=2π×1.319 MHz 的射频场(同相位)通过真空馈通加在该对刀片电极上,用于囚禁离子。金属支撑架选用强度高、密度相对较小的钛合金材料,以保证稳定支撑刀片的同时重量不至于过大。刀片与支撑架之间通过四根绝缘杆隔开,绝缘杆的材料为氧化铝陶瓷,其具有足够的硬度,在装配刀片的过程中不容易折断。支撑架的底部和右侧分别配置有补偿线,加上直流电压后可分别用于补偿竖直方向和水平方向的附加微运动。补偿线同样为金属铜表面镀金而成,具有良好的导电性能。补偿线与支撑架之间同样通过氧化铝陶瓷进行绝缘连接。通过外部信号源共振激发[13],可以测得正常囚禁状态下的离子阱宏运动频率为:径向宏运动频率ωr≈2π×388.7 kHz,轴向宏运动频率ωz≈2π×41.8 kHz。

1.2 成像系统

本实验采用脉冲激光溅射(PLA)[14,15]来产生40Ca+,然后将经激光场冷却后的单个离子囚禁于线形阱中,并通过两台CCD(Andor iXon)相机对离子进行观测。图2 为离子阱成像系统示意图,两台CCD 分别置于X和Z方向,从而可以观测离子于三维方向中的位置:径向(X方向)的CCD 可以观测到离子于径向的Y方向和轴向Z方向的位置变化,轴向(Z方向)的CCD 可以观测到离子于径向的X方向和Y方向的位置变化。改变射频场的幅度,观测离子三维方向的位置变化,并通过补偿电压使离子的位置能够在升降射频场幅度的过程中保持不变,从而实现对微运动的补偿。本实验中水平(X方向)及竖直(Y方向)微运动的补偿精度均可达到10 mV 的量级。

图2 离子阱成像系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the ion trap imaging system

1.3 导电玻璃优化后的真空系统

杂散电场漂移主要是由附着在真空系统的玻窗和倒视窗等电介质上的电荷随着时间的衰减所产生的,因此,为了抑制杂散电场漂移,需要减少电荷附着。本实验将氧化铟锡(ITO)材料制作的导电玻璃装配于真空系统玻窗中。ITO 导电玻璃的材料为InSnO2,因其同时具有高导电性能和高透射性能[16],在物理化学等众多领域均有广泛应用[17,18]。本实验定制的ITO 导电玻璃镀层材料蚀刻面厚度小于1 mm,整体导电玻璃的方阻小于1 Ω/mm2,对电荷有着很好的导通效果。如图3 所示,通过设计加工机械结构,把ITO 导电玻璃固定到真空系统的玻窗和倒视窗内侧(超高真空一侧),并保持与真空系统共地。这样在产生离子的过程中,由于高功率脉冲激光溅射所产生的自由电荷,就会附着到ITO 导电玻璃上,进而由真空系统与实验室所共地线导通到大地,从而实现对杂散电场漂移的抑制。同时该导电玻璃对波长从350 nm到900 nm 的宽带光谱均有85%以上的透射率,对所通过的激光功率损耗很小,并不会影响到离子的正常囚禁与冷却。通过分子泵和离子泵组件,优化后的真空系统可以获取并维持在实验所需的P= 5×10−9Pa 超高真空度。

图3 通过机械结构装配在倒视窗和玻窗内的ITO 导电玻窗实物图。(a)ITO 导电玻璃的机械结构;(b)ITO 导电玻璃装配后的倒视窗;(c)ITO 导电玻璃装配后的玻窗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 实验测量

对于囚禁在离子阱中的离子,射频场对其的囚禁势可以表示为简谐势场

式中:m为离子的质量,r为离子偏离平衡位置的径向距离(轴向势场由帽电极提供,在此不做讨论),ω 为离子的径向宏运动频率。考虑杂散电场ε(r)的影响之后,势场可以写为

式中q为离子的电荷量。由(2)式可推出,离子的稳定位置为势场最小的位置,即

图4 不同射频幅度下的囚禁谐振势场示意图Fig.4 Illustration of the trapping harmonic potential of different RF amplitude

从而得出杂散电场的表达式

通过1.1 节中提到的共振激发可以测得,高射频下的径向宏运动频率为ωh≈2π×388.7 kHz,低射频下的径向宏运动频率为ωl≈2π×95.7 kHz,再由CCD 上离子的位置坐标变化测出∆r即可计算出杂散电场。

为了测量杂散电场随时间的漂移,需要得到在一段时间内的杂散电场的变化。实验过程中,在一段时间内不断地对离子进行补偿(平均每30 min 补偿一次),保持其位置不变,记录补偿电压的变化。因此为了得到杂散电场的具体值,需要首先得到补偿电压与杂散电场之间的对应关系。实验中,先将离子的微运动补偿到最佳状态,然后人为地将补偿电压调节到偏离其最佳值,依然通过改变高低射频得到此时离子位置的变化∆r,然后通过(5)式计算出杂散电场大小,从而得到补偿电压偏移量∆U与杂散电场ε(r)的关系。再结合一段时间内补偿电压的变化,计算出最终的杂散电场漂移速度。图5 为装配ITO 导电玻璃前后一段时间内(通常为一天内7∼8 h)离子阱的杂散电场随时间的变化。

图5 离子阱杂散电场在一天内的变化。(a)未装配ITO 导电玻璃;(b)已装配ITO 导电玻璃Fig.5 Stray electric fields of the linear ion trap during the day. (a)Without ITO conducting glass;(b)With conducting glass

由图5 可以计算出装配前杂散电场的漂移速度为:水平方向(dEx/dt)before=(−2.02±0.24)µV·m−1·s−1;竖直方向(dEy/dt)before= (57.68±1.19)µV·m−1·s−1。而装配ITO 导电玻璃后,杂散电场漂移速度为:水平方向(dEx/dt)after=(−1.63±0.95)µV·m−1·s−1;竖直方向(dEy/dt)after=(0±1.5)µV·m−1·s−1。

从计算结果可以得出,装配ITO 导电玻璃后竖直方向的杂散电场漂移速度减小到了0,而水平方向的杂散电场漂移速度相比之前也减小了1/4,整体则减小了将近2 个数量级,这得益于ITO 导电玻璃对可能会附着在系统电介质上的自由电荷的有效导通,实际上由于机械结构较为复杂的原因,部分真空视窗上并没有装配ITO 导电玻璃,这使得系统的电介质上仍然有部分电荷附着,导致了水平方向杂散电场漂移不为0。若把真空系统所有的玻窗和倒视窗都装配上ITO 导电玻璃,则可以进一步减小微运动漂移。

3 结 论

本实验通过测量与计算得到了一段时间内线形离子阱系统的杂散电场漂移速度,相比之前的结果减小了约2 个数量级,这得益于ITO 导电玻璃对真空系统的优化,其有效导通了可能会附着在系统电介质上的自由电荷,从而在实验过程中可以忽略不计微运动的影响,增加了实验的有效时间。对于实验室之后开展的光频标和全光囚禁实验,将直接采用全部视窗均装配有ITO 导电玻璃的真空系统,进一步降低微运动漂移对实验的影响。