CN113945625A - 一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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‑荧光展宽效应进行评估与微运动补偿；在此基础上对少离子系综模型进行囚禁3D大离子系综的谐振模型适应性分析与外场修正，提取3D离子系综运动频谱，评估空间电荷效应、特征温度并进行优化；之后，量化分析3D离子系综的本征微运动与久期运动3D关联耦合特征，解耦出离子的本征微运动瞬态过程；最后对3D离子系综的本征微运动进行调控，实现离子系综特定空间构型下本征微运动优化，最终满足本征微运动对3D离子系综的准绝热动力学条件。
Description
技术领域
本发明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领域。
背景技术
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：
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。ax、qi、ξ均为无量纲参数，ax代表离子的轴平面x方向稳定囚禁参数、ay代表离子的轴平面y方向稳定囚禁参数、qx代表离子的径向平面x方向稳定囚禁参数、qy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。
其中，M为离子的质量，κr为离子阱的径向几何因子参数，Ωrf和Urf分别为射频势的频率和振幅，Udc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。
当(|ai|,qi 2)＜＜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rDC，由此引入会引入一个与射频频率相关的量rDCqxcos(Ωrft)/2，称之为离子的附加微运动，其幅度为qxrDC/2。特定势场参数下，离子的附加微运动幅度仅与rDC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rDC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rscos(ωrt)cos(Ωrft)qx/2，我们称之为离子的本征微运动，其幅度为rsqi/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ωr，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rs。
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。
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。
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。
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发明显，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：
(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。
(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。
(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。
发明内容
本发明解决的技术问题是：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。
本发明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：
S1、建立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。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明提出一种逐级解析离子系综动力学过程，最终量化还原出本征微运动特征的方法。相比于传统技术中囚禁离子的动力学分析理论主要为谐振赝势近似，实验方法主要为微运动补偿，很难量化解耦本征微运动在动力学中的影响的问题，本发明的量化分析结果可在温度效应、延时投影成像等方案中得到实验检验。本发明方法具有与实验测量的初始条件同源、分析过程独立、结果相互检验等特色，分析方法具有非破坏性、分析要素更全面。
(2)、在微运动评估方面，本发明采用了一种基于囚禁三维离子系综动力学信息量化评估本征微运动与久期运动的3D关联耦合特征，并量化解耦出本征微运动的瞬态演化特性的方法，解决了现有技术中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、评估不量化的问题。
(3)、在微运动调控方面，本发明提出了3D离子系综的本征微运动调控方法及其适用条件，特别是给出了精密抑制同空间构型下本征微运动强度，在抑制射频加热率，延长内外态相干寿命等应用中具有独特优势，很好地弥补了现有赝势近似技术中忽略了囚禁离子本征微运动因素，导致理论模型过于理想，在指导实际应用中存在较大失真的问题，保障了评估体系的高精度和高可靠性。
(4)、本发明由于是从离子系综的动力学信息解耦本征微运动特征，不受离子数及离子种类限制，也不受实验客观条件制约，可实现所有类型离子在各类稳频囚禁区域内的本征微运动评估，反馈囚禁参数优化，实现各种目标本征微运动调控，因此普适性更强，分析精度更高，覆盖模式更丰富，可在应用中指导离子的动力学参数优化。尤其是可尽可能抑制本征微运动对3D离子调制加热效应及量子退相干过程的影响，为以离子钟为代表的长寿命量子相干操控、高效协同冷却、高保真逻辑测量、控制化学反应速率等应用提供量化依据。
(5)、本发明可用于离子钟、精密测试计量、量子计算、质谱分析等领域的离子系综本征微运动量化评估、调控。
附图说明
图1为本发明实施例囚禁离子系综本征微运动的量化评估、调控方法示意图；
图2为本发明实施例3D离子系综冷却过程中各维度的久期运动能量及总能量演化；
图3为本发明实施例3D离子系综在本征微运动能量相近、久期运动能量相差两个量级时的(曝光时间为1个久期运动周期)空间分布差异。其中，Emicro(a)＝9.905K，Emicro(b)＝9.4923K；Esec(a)≈414mK,Esec(b)≈5.8mK.
图4为本发明实施例3D离子系综在径向中心平面的单个微运动周期延时成像；
图5为本发明实施例弱束缚势场中基于低射频频率-高q(a)和高射频频率-低q(b)两种方法实现3D离子系综相同空间构型下的空间分布。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明给出了维持离子系综空间构型下本征微运动的调控方法，可以尽可能抑制本征微运动对3D离子调制加热效应及量子退相干过程的影响。
参照图1，实现离子钟中囚禁离子系综本征微运动的量化评估、调控和优化方法的示意图。
首先解决以往研究中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的问题。其次，明确揭示本征微运动与久期运动的3D关联耦合特征，进而从总能量及调控动力学特征中解调出本征微运动的瞬态演化特性，解决以往微运动的研究不量化的问题。最后，聚焦以往“离子微运动调控只关注附加微运动”可能忽略本征微运动的一些负面效应，提出了3D离子系综的本征微运动调控方法及其适用条件，特别是对比分析了等频调控与等q调控中的差异，给出了本征微运动调控过程中离子系综空间构型的维持方法。
为了实现3D离子系综本征微运动的量化评估、调控和优化。本发明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，并基于Matlab和Comsol仿真软件构建囚禁少离子系综的射频动态束缚模型，建立少离子系综的时间演化稳态空间构型，而后对该少离子系综基于稳态离子系综温度-荧光展宽效应联合离子的荧光成像和跃迁谱线扫频展宽线形方法精确评估少离子系综的久期运动温度，通过射频光子关联方法优化离子的附加微运动；在实现少离子系综目标温度后，注入3D大离子系综，进行运动频谱分析和空间电荷效应评估，通过提升几何因子精度实现运动频谱与久期运动激发频点的精确匹配。进而，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，最后通过约束久期运动频率，实现离子系综特定空间构型下本征微运动调控优化，满足3D离子系综的低调制加热及低量子退相干本征微运动调控需求。
如图1所示，本发明提供的一种离子本征微运动的含时动力学量化调控方法，具体步骤如下：
S1、建立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；
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Urf、施加在射频场上的静态直流偏置电压Udc、离子阱的径向几何因子参数κr、离子阱的轴向几何因子参数κz、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。
对囚禁少离子系综原始参数及囚禁电磁场参数进行评估和确立的方法为：
基于马修方程:
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。ax、qi、ξ均为无量纲参数，ax代表离子的轴平面x方向稳定囚禁参数、ay代表离子的轴平面y方向稳定囚禁参数、qx代表离子的径向平面x方向稳定囚禁参数、qy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。
其中，M为离子的质量，κr为离子阱的径向几何因子参数，Ωrf和Urf分别为射频势的频率和振幅，Udc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。
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。
当(|a|,q2)＜＜1时，离子轨迹简化为：
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为离子的经平面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，Urf为射频势的振幅、Udc为施加在射频场上的静态直流偏置电压、κr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。
上述简化的离子轨迹即为囚禁少离子系综的射频动态束缚模型。
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Urf；
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κz；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κr；
S1.5、根据待调控离子类型及离化方式，确定离子系综的初始能E0，结合实际离子阱的三维结构，设置势阱深度，所述势阱深度满足两个条件：
第一个条件为：势阱深度与射频势参数满足如下关系：
第二个条件为：势阱深度为离子系综的初始能E0的7～13倍；
即：7E0≤D≤13E0。
在离子阱轴向电极施加直流电势Uend，离子在轴向满足一阶谐振条件：
z0为轴向电极到囚禁中心的距离。κz是一个与电极结构、尺寸相关的几何参数，通过调控Uend可以实现轴向谐振频率的独立控制。
轴向囚禁势会耦合到离子的径向囚禁势场中。因此径向久期运动
频率修正为
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；
对囚禁少离子系综温度-荧光展宽效应进行评估的具体方法如下：
S2.1、评估离子系综中所有离子达到温度稳态过程中的三维位置矢量和速度矢量时间演化信息；
本步骤在步骤S1建立囚禁离子系综的原始参数和动态势等效谐振模型基础上使用Leap Frog运动学算法评估所有离子达到稳态过程中的三维位置矢量和速度矢量时间演化信息。优选地，将解算离子运动的时间分辨率取值远小于微运动周期，以确保清晰展现离子的微运动行为。
S2.2、对步骤S2.1中离子系综中所有离子位置矢量的时间演化信息，按照相机曝光时间采样，对多个采样值进行加权平均及图形化显示，获得离子在预设投影面累积荧光展宽信息，所述累积荧光展宽信息为离子的辐射荧光归一化强度分布的半高宽，所述半高宽指得是离子发光强度降低到峰值一半时的发光宽度；
S2.3、通过对所有离子任意一个射频周期内的速度进行统计平均，得到所有离子在达到温度稳态后的速度有效值，根据热、动力学关系式反演出离子系综久期运动的温度；所述热、动力学关系式为：
其中，Esec,Tsec分别是离子的久期运动能量和温度；
分别代表第i个离子单个射频周期内x、y、z三个维度离子速度矢量的时间平均，<...>为一个久期运动周期时间尺度内对离子平均运动速度平方的时间平均，N为研究体系的离子总数目，kB为玻尔兹曼常数。
离子的温度与荧光展宽效应存在对应关系，是描述离子动力学行为的两种等效展现方式。基于囚禁离子温度-荧光展宽效应对应关系，可实现离子系综温度的可视化评估。
基于离子的久期运动边带反推离子温度是目前实验评价少离子系综温度精度较高的一种方法。其原理为：在实验中根据离子的久期运动(secular motion)边带与载波大小，对单离子的久期运动温度有效值进行计算：通过扫描跃迁至离子亚稳态的激光频率，由观察到的量子跳跃数量得到久期运动边带与载波的强度比值。
求解下面方程组来计算得出离子温度：
其中
是一阶久期运动边带和载波的几率比；h是Plank常量；kB是Boltzmann常数；T为离子久期运动温度；ωi为久期运动频率；ki是探测光波失在i方向的投影；m为离子质量；In(u)为第n阶修正后的Bessel函数。
囚禁离子温度-荧光展宽效应可用离子久期运动边带-载波比值法进行独立校验，确保评估的可靠性。
因此，判断该久期运动温度是否处于平衡态温度极小值区域的方法如下：
将该久期运动温度与通过离子久期运动边带-载波比值法获得的离子久期运动温度进行比较，如果两者一致，则认为该久期运动温度处于平衡态预期温度区域内，否则，认为该久期运动温度未处于平衡态温度极小值区域内。
在建立囚禁离子温度-荧光展宽效应对应关系后，为进一步抑制离子系综的环境耦合效应需要以该温度-荧光展宽效应为观测量，以调控温度至极小值为评价标准对离子的微运动进行精细补偿，其方法为：囚禁离子微运动相位与射频势相位之间存在固定的耦合关系，运动中的离子自发辐射荧光也会调制微运动信息，通过在射频势中叠加适当静电势使得探测器采集荧光与射频间的相位关联极小，即可抑制离子的微运动行为以及由此引入的加热效应，最终获得更低的离子温度和更小的荧光展宽效应。实施中需要根据射频-荧光相位关联强度及最终的离子温度-荧光展宽效应迭代反馈控制静电势，精细补偿离子附加微运动。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；
本步骤在前两步基于少离子系综进行囚禁动力学建模和物理场特性优化的基础上，注入大离子系综，扩充离子数量，受离子间强空间电荷效应影响，离子呈现3D系综特征。
3D离子系综的运动仍然可以使用赝势谐振模型来描述，但是离子系综的各类运动效应表现出更复杂的耦合特征，每个离子的等效势场均需要考虑空间电荷效应修正。因此，3D离子系综动力学模型为：
其中，(x,y,z)为离子系综在直角坐标系下的三维坐标，Ψi(x,y,z)为位于(x,y,z)的第i个离子所感受到的电势，，Uend是离子阱的轴向静电势，κz是离子阱的轴向几何因子,2z0是中心囚禁电极的长度,r0是离子阱中心到电极表面的最小距离，Qi为第i个离子的带电荷，ε0为电介质常数，κr为离子阱的径向几何因子，N为离子数量。
在修正势场下，重新分析第一步中修正后的离子系综基本谐振参数(谐振频率、等效势阱深度)。
3D离子系综的运动频谱提取方法为：在第二步基于Leap Frog运动学算法获得3D离子系综的三维位置矢量和速度矢量的时间演化信息后，进行傅里叶频谱转换，即可获得离子的谐振运动频谱信息。
与久期运动激发频点的匹配方法：对囚禁离子系综施加一个极弱的外界微绕激励场，扫描激励场频率，当激励场频率与离子的谐振久期运动频率接近，离子会出现谐振增强现象。基于该现象可以独立获得离子的久期运动特征谱，但由于激发展宽效应，其特征谱半高宽大于傅里叶转换频谱结果。如傅里叶转换频谱特征峰在久期运动激发频谱误差范围内，即证明了傅里叶转换频谱的合理性；如傅里叶转换频谱特征峰不在久期运动激发频谱误差范围内，需要进一步返回第一步提升原始参数中离子阱几何因子的精度，直至最终傅里叶转换运动频谱特征峰与久期运动激发频谱的精确匹配。
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；
激光冷却3D离子系综随着平均动能的降低，会经历气相，液相与固相(结晶)之间的转变，受空间电荷效应、光子反冲随机作用等影响，最终会达到冷却与加热的动态平衡。
3D离子系综特征温度的提取方法与第二步中的囚禁离子温度-荧光展宽效应评估方法基本相同，只是3D离子系综存在一定的温度分布，需要对每个离子进行空间坐标编序，建立起空间坐标与特征温度间的一一对应关系。
图2给出了3D离子系综冷却达到平衡态过程中三个维度久期运动能量及总能量的时间演化过程。3D离子系综轴向久期运动能量始终与轴向总能量相近，均可冷却到mK量级，说明线形阱中离子系综的轴向射频残余微运动能量相比于久期运动能量可以忽略。但是，3D离子系综在径向有效最低势场外存在空间分布，本征微运动效应在冷却及达到平衡态过程中始终占据重要地位，导致3D离子系综平衡态径向总能量高出径向久期运动能量数个量级。
3D离子系综所有离子的运动模式耦合在一起。3D离子系综的轴向与径向囚禁动力学特征差异较大，导致不同维度的运动存在一定的差异性；同时离子系综内各维度间存在一定的相互作用，导致离子不同维度的运动也存在一定的关联耦合特征。为了解耦本征微运动特征，首选需要界定久期运动对本征微运动的影响。其基本方式是匹配一组稳定囚禁参数处于q在[0.2,0.3]之内的最优囚禁势，使得离子系综的微运动能量相近，通过调控冷却力使得离子的久期运动能量低至不足以激发离子的位置交换。进而量化评估久期运动对本征微运动的影响。
因此，解耦出离子系综的本征微运动的具体步骤为：
S4.1、设置一组稳定电磁场参数，得到q在[0.2,0.3]之内的最优囚禁势，使得不同时刻的离子系综的微运动能量之差小于第一预设门限，通过调控冷却力使得离子的久期运动能量低至不足以激发离子的位置交换；所述第一预设门限为微运动能量随时间的相对波动小于10％；
S4.2、将离子的动力学时间尺度聚焦到微运动周期内，设置相机的时间分辨率Δt小于等于TΩ/30，TΩ为射频周期，采用相机捕捉离子的微运动瞬态位置矢量，并对离子系综位置矢量的时间演化信息进行累积平均(曝光时间小于TΩ)及图形化显示，从而获得解耦后的离子预设投影面本征微运动信息。
图3比较分析了特定势场束缚下3D离子系综在本征微运动能量相近(Emicro(a)≈Emicro(b)≈10K·3kB/2)、久期运动能量(Esec(a)≈414mK·3kB/2,Esec(b)≈6mK·3kB/2)相差两个量级时的(延时曝光时间约为1个久期运动周期)空间分布差异。图i和ii为离子系综在径向x-y平面和轴向y-z平面的投影分布。
图3(a)中离子系综的久期运动温度为414mK，离子系综的3D力学特征紧密耦合导致离子的3D运动关联在一起。离子系综的轴向运动受射频微运动影响较小，主要为久期运动效应,可以用等效赝势谐振模型描述。由于离子的久期运动能量较高，离子很容易因随机库伦相互作用而发生近邻位置交换，特定离子的运动轨迹具有一定的随机性。离子系综的径向运动是微运动与久期运动的叠加，力学耦合和运动轨迹特征远复杂于轴向运动特征。径向久期运动也可用等效赝势谐振模型描述，由于离子的久期运动能量较大，在空间电荷效应及微运动调制下，近邻离子的随机性位置交换特征更为显著。离子运动的最小时间分辨尺度约为微运动周期的1/30，所以单个久期运动时间尺度的瞬态成像中可以清晰的分辨出离子的微运动行为、以及微运动与久期运动的耦合行为。特定离子α的运动包络轨迹为久期运动特征，包络内的振荡轨迹为微运动特征。离子的本征微运动幅度随着久期运动位置的不同，时而放大，时而压缩。离子系综的瞬态总能量也会随之变化，具有一定的随机性。图3(b)中离子系综的久期运动温度为5.8mK，离子系综在三个维度的随机性相互作用得到抑制，单个久期运动时间尺度内几乎观察不到离子的近邻位置交换效应。离子的轴向(z方向)与径向(xy平面)运动都限定在极为固定的局域空间坐标内，呈现晶体特征。离子的径向运动轨迹与射频场电矢量吻合，主要表现为本征微运动特征。
图3(a)与3(b)中离子系综的微运动能量相似，且均远大于久期运动能量，导致两组离子系综的总能量相似。离子系综的轮廓由总能量决定，因此图3(a)与3(b)中离子系综的径向中心平面(x-y)及轴向中心平面(y-z)弥散轮廓基本相近。但是图3(a)中离子系综的久期运动能量明显更高，导致显著的离子位置交换效应，因此两组离子系综内的相对空间分布差异较大。可见，久期运动在离子系综的外态相互作用中扮演者重要作用，各类应用中均需要将离子系综冷却至多普勒极限、甚至振动基态，以尽可能降低久期运动对量子态操控的影响。当3D离子系综的久期运动低到不足以激发离子的位置交换过程时，离子系综中的运动效应将表现为本征微运动。
在掌握3D离子系综久期运动对本征微运动的影响，并给出本征微运动的解耦约束条件(久期运动低到不足以激发离子的位置交换过程时，离子系综中的运动效应将表现为本征微运动)后，将离子的动力学时间尺度聚焦到微运动周期内，设置时间分辨率Δt远小于TΩ/4射频周期(典型值Δt＝Ω/100)，通过超快捕捉离子的微运动瞬态位置矢量，并对离子系综位置矢量的时间演化信息进行加权平均(依据曝光时间)及图形化显示最终获得解耦后的离子特定投影面本征微运动信息。
图4(a)进一步给出了3D离子晶体在单个微运动周期时间尺度的径向中心平面(x-y)延时成像。其空间分布与图3(b)中单个久期运动周期延时成像基本一致，说明晶态离子系综的本征微运动轨迹极为固定。对离子系综进行亚微运动周期尺度延时成像，在(0-π/2)射频相位演化期间，离子系综由对角椭圆分布过渡到旋转圆形分布，如图4(b)所示；之后在(π/2-π)射频相位演化期间，离子系综由旋转圆形分布过渡到另一组对角椭圆分布，如图4(c)所示。后续的射频(π-3π/2-2π)相位演化期间，离子系综沿原轨迹反向演化。离子系综在对角瞬态分布下的微运动动能最小，势能最大；在圆形瞬态分布下的微运动动能最大，势能最低。
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。
囚禁离子应用中经常需要在保持离子系综特定空间分布的前提下进行离子的加注、暗离子的识别、振动模式的激发、量子态的制备与调控等操作。低温3D离子晶体的宏观运动行为可用赝势近似下的谐振子模型描述，离子系综的空间构型由久期运动频率决定。
因此，调控3D离子系综特定空间构型下本征微运动的具体步骤如下：
S5.1、优选一组囚禁离子系综的径向久期运动频率，使其大于轴向久期运动频率，确保离子体系沿线形阱赝势中心线分布，后续所有调控均维持径向久期运动频率不变；
S5.2、在该久期运动频率约束下匹配一组射频势，所述该组射频势满足如下两个条件：
第一个条件：该组射频势始终满足离子体系的稳定囚禁参数q＜0.7。
本步骤依据以下关系，
匹配一组初始射频势，使得离子体系的初始稳定囚禁参数q＜0.7。
第二个条件：该组射频势的调控方法是：由低向高等比例调控射频势的幅度及频率，使得离子系综的久期运动频率始终维持不变，在此过程中评估离子系综的本征微运动强度，使得其与离子久期运动、离子间势能以及环境的耦合效应尽可能得到抑制，直到调控后的3D离子系综久期运动满足准绝热动力学条件为止。
所述准绝热动力学条件指的是3D离子系综在无冷却力作用下，可以在10s以上时间尺度内维持久期运动温度在同一量级内。
实际应用中受离子阱结构、囚禁离子质荷比、真空电极电压承受能力及射频电子学系统高压放大能力等可实施参量范围因素的限制，可用于离子调控的外场参量非常有限。尤其是一些弱束缚离子体系极易受到环境及射频加热效应的影响而逃逸出囚禁区域，其稳定操控难度远大于强束缚离子体系。弱束缚离子体系的外场调控方法为：维持久期运动频率不变的情况下，尽可能提升囚禁势频率，抑制本征微运动幅度，降低离子与环境的作用区间和耦合强度，提升囚禁离子的稳定性，直到满足准绝热动力学条件。
图5给出了弱束缚势场中通过低射频频率-高q值(a)和高射频频率-低q值(b)两种方法实现3D离子系综相同空间构型下的空间分布。图5(a)中，低射频频率、高q囚禁下离子体系的本征微运动频率极低，振幅较大。本征微运动容易与环境或者离子间势场产生明显的耦合效应，离子体系的囚禁稳定性极差。图5(b)中，高射频频率、低q囚禁下离子系综的本征微运动频率极高，振幅极小。离子的微运动与环境、离子间势场在空间上的耦合效应得到极大抑制，离子系综的囚禁稳定性明显提升。两种囚禁模式下离子久期运动能量基本一致(Tsec,a＝0.39mK,Tsec,b＝0.32mK)，总能量却相差1.1K(Tt,a＝26.04K,Tt,b＝24.91K)。总能量的差异主要来自于低频高q模式下不同离子间流动性相互作用所引起的离子随机微运动能量效应。因此提高囚禁频率的同时降低q值是维持离子系综空间分布的前提下提高囚禁稳定性的有效方法之一。
综上所述，本发明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-荧光展宽效应进行评估与微运动补偿；在此基础上对少离子系综模型进行囚禁3D大离子系综的谐振模型适应性分析与外场修正，提取3D离子系综运动频谱，评估空间电荷效应、特征温度并进行与优化；之后，量化分析3D冷离子系综的本征微运动与久期运动3D关联耦合特征，解耦出离子的本征微运动瞬态过程；最后对3D离子系综的本征微运动进行调控，实现离子系综特定空间构型下本征微运动优化，最终达到准绝热动力学条件，满足本征微运动对3D离子系综的低调制加热及低量子退相干作用等应用需求。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
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；
其中，Q为离子的电荷，M为离子的质量，Ω为射频势的频率，Urf为射频势的振幅、Udc为施加在射频场上的静态直流偏置电压、κr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Urf、施加在射频场上的静态直流偏置电压Udc、离子阱的径向几何因子参数κr、离子阱的轴向几何因子参数κz、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Urf；
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κz；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κr；
S1.5、根据待调控离子类型及离化方式，确定离子系综的初始能E0，结合实际离子阱的三维结构，设置势阱深度，所述势阱深度满足两个条件：
第一个条件为：势阱深度与射频势参数满足如下关系：
第二个条件为：势阱深度为离子系综的初始能E0的7～13倍；
即：7E0≤D≤13E0。
5.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S2对囚禁少离子系综温度-荧光展宽效应进行评估的具体方法如下：
S2.1、评估离子系综中所有离子达到温度稳态过程中的三维位置矢量和速度矢量时间演化信息；
S2.2、对步骤S2.1中离子系综中所有离子位置矢量的时间演化信息，按照相机曝光时间采样，对多个采样值进行加权平均及图形化显示，获得离子在预设投影面累积荧光展宽信息，所述累积荧光展宽信息为离子的辐射荧光归一化强度分布的半高宽，所述半高宽指得是离子发光强度降低到峰值一半时的发光宽度；
S2.3、通过对所有离子任意一个射频周期内的速度进行统计平均，得到所有离子在达到温度稳态后的速度有效值，根据热、动力学关系式反演出离子系综久期运动的温度；所述热、动力学关系式为：
其中，Esec,Tsec分别是离子的久期运动能量和温度；
分别代表第i个离子单个射频周期内x、y、z三个维度离子速度矢量的时间平均，...为一个久期运动周期时间尺度内对离子平均运动速度平方的时间平均，N为研究系综的离子总数目，kB为玻尔兹曼常数。
6.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S2判断该久期运动温度是否处于平衡态温度极小值区域的方法如下：
将该久期运动温度与通过离子久期运动边带-载波比值法获得的离子久期运动温度进行比较，如果两者一致，则认为该久期运动温度处于平衡态预期温度区域内，否则，认为该久期运动温度未处于平衡态温度极小值区域内。
7.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S4解耦出离子系综的本征微运动的具体步骤为：
S4.1、设置一组稳定电磁场参数，得到q在[0.2,0.3]之内的最优囚禁势，使得不同时刻的离子系综的微运动能量之差小于第一预设门限，通过调控冷却力使得离子的久期运动能量低至不足以激发离子的位置交换；所述第一预设门限为微运动能量随时间的相对波动小于10％；
S4.2、将离子的动力学时间尺度聚焦到微运动周期内，设置相机的时间分辨率Δt小于等于TΩ/30，TΩ为射频周期，采用相机捕捉离子的微运动瞬态位置矢量，并对离子系综位置矢量的时间演化信息进行累积平均及图形化显示，从而获得解耦后的离子预设投影面本征微运动信息。
8.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S5调控3D离子系综特定空间构型下本征微运动的具体步骤如下：
S5.1、优选一组囚禁离子系综的径向久期运动频率，使其大于轴向久期运动频率，后续所有调控均维持径向久期运动频率不变；
S5.2、在该久期运动频率约束下匹配一组射频势，所述该组射频势满足如下两个条件：
第一个条件：该组射频势始终满足离子系综的稳定囚禁参数q＜0.7
第二个条件：该组射频势的调控方法是：由低向高等比例调控射频势的幅度及频率。直到调控后的3D离子系综本征微运动满足准绝热动力学条件为止。
9.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，其特征在于所述准绝热动力学条件指的是3D离子系综在无冷却力作用下，可以在10s以上时间尺度内维持久期运动温度在同一量级内。
10.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3D离子系综动力学模型为：
其中，(x,y,z)为离子系综在直角坐标系下的三维坐标，Ψi(x,y,z)为位于(x,y,z)的第i个离子所感受到的电势，Uend是离子阱的轴向静电势，κz是离子阱的轴向几何因子,2z0是中心囚禁电极的长度,r0是离子阱中心到电极表面的最小距离，Qi为第i个离子的带电荷，ε0为电介质常数，κr为离子阱的径向几何因子，N为离子数量。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113704966A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-11-26 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种识别调控囚禁离子振动模式及耦合强度的方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080302958A1 (en) * | 2005-12-22 | 2008-12-11 | Micromass Uk Limited | Mass Spectrometer |
| GB201003447D0 (en) * | 2010-03-02 | 2010-04-14 | Verenchikov Anatoly | Two-dimensional multi reflecting time-of-flight mass spectrometer |
| GB201013841D0 (en) * | 2010-01-15 | 2010-09-29 | Verenchikov Anatoly | Electrostatic trap mass spectrometer |
| CN102150219A (zh) * | 2008-07-28 | 2011-08-10 | 莱克公司 | 在射频场中使用网的离子操纵的方法和设备 |
| CN105144339A (zh) * | 2013-04-23 | 2015-12-09 | 莱克公司 | 具有高吞吐量的多反射质谱仪 |
| US20170018418A1 (en) * | 2014-03-14 | 2017-01-19 | Rutgers, The State University Of New Jersey | An electrostatic ion trap mass spectrometer utilizing autoresonant ion excitation and methods of using the same |
| CN112487680A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-12 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种用于评价和调控离子阱非谐性势的方法 |
| CN112868035A (zh) * | 2018-05-11 | 2021-05-28 | 马里兰大学帕克分校 | 低温囚禁离子系统 |
-
2021
- 2021-08-31 CN CN202111012473.XA patent/CN113945625A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080302958A1 (en) * | 2005-12-22 | 2008-12-11 | Micromass Uk Limited | Mass Spectrometer |
| CN102150219A (zh) * | 2008-07-28 | 2011-08-10 | 莱克公司 | 在射频场中使用网的离子操纵的方法和设备 |
| GB201013841D0 (en) * | 2010-01-15 | 2010-09-29 | Verenchikov Anatoly | Electrostatic trap mass spectrometer |
| GB201003447D0 (en) * | 2010-03-02 | 2010-04-14 | Verenchikov Anatoly | Two-dimensional multi reflecting time-of-flight mass spectrometer |
| CN105144339A (zh) * | 2013-04-23 | 2015-12-09 | 莱克公司 | 具有高吞吐量的多反射质谱仪 |
| US20170018418A1 (en) * | 2014-03-14 | 2017-01-19 | Rutgers, The State University Of New Jersey | An electrostatic ion trap mass spectrometer utilizing autoresonant ion excitation and methods of using the same |
| CN112868035A (zh) * | 2018-05-11 | 2021-05-28 | 马里兰大学帕克分校 | 低温囚禁离子系统 |
| CN112487680A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-12 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种用于评价和调控离子阱非谐性势的方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| C. B. ZHANG 等: "Molecular-dynamics simulations of cold single-species and multispecies ion ensembles in a linear Paul trap", 《PHYSICAL REVIEW A》, vol. 76, pages 012719 - 1 * |
| LIJUN DU 等: "Quantitative evaluation and regulation of cold-ion system intrinsic micromotion by numerical simulation", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF MASS SPECTROMETRY》, vol. 468, pages 1 - 8 * |
| LI-JUN DU 等: "Quantitative evaluation of space charge effects of laser-cooled threedimensional ion system on a secular motion period scale", 《CHINESE PHYSICS B》, vol. 27, no. 4, pages 043701 - 1 * |
| 潘勇 等: "分段线形离子阱中离子的囚禁及微运动补偿", 量子电子学报, no. 4, pages 42 - 49 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113704966A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-11-26 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种识别调控囚禁离子振动模式及耦合强度的方法 |
| CN113704966B (zh) * | 2021-07-22 | 2024-04-09 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种识别调控囚禁离子振动模式及耦合强度的方法 |
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