CN113970662B - 一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统，包括：分别为时间数字转换模块提供计时起始信号、计时终止信号的计时起始信号模块、计时终止信号模块；时间数字转换模块，用于记录所述计时起始信号和所述计时终止信号的时间间隔，根据所述时间间隔得到射频周期内荧光强度的分布情况，所述荧光是单个囚禁离子发出的；微运动指数确定模块，用于根据所述荧光强度的分布情况拟合得到单个囚禁离子的微运动指数；电场力测量模块，用于根据所述微运动指数测量单个囚禁离子所受电场力的大小。本发明能精确测量单个囚禁离子在附加电场作用下的微运动指数，根据微运动指数精确测量附加电场对单个囚禁离子的微弱电场力，精度超过现有方案一个数量级。

Description

一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统

技术领域

本发明涉及量子信息处理技术领域，尤其是涉及一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统。

背景技术

随着信息技术的快速发展，量子信息处理越来越受关注。高灵敏度力传感器在物理的基础研究和工程的实践领域有着广泛的应用。在精密核磁共振成像、原子力显微镜、重力仪，惯性导航，测试量子引力，引力波探测，牛顿万有引力常数的精密测量等科学技术前沿，极小力的测量研究是至关重要的环节。

目前，通常采用微米级或纳米级的机械谐振器探测弱电场、弱磁场、光压等产生的微弱电场力，随着科学研究对测量精度要求的不断提高，传统的机械探测器难以达到更高的测量精度，因此，需要寻求新的测量系统来实现更高精度的电场力测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统，以解决现有技术中对囚禁离子所受微弱电场力的测量精度不够高的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统，包括：

计时起始信号模块，用于为时间数字转换模块提供计时起始信号；

计时终止信号模块，用于为时间数字转换模块提供计时终止信号；

时间数字转换模块，用于记录所述计时起始信号和所述计时终止信号的时间间隔，根据所述时间间隔得到射频周期内荧光强度的分布情况，所述荧光是单个囚禁离子发出的；

微运动指数确定模块，用于根据所述荧光强度的分布情况拟合得到单个囚禁离子的微运动指数，所述微运动为单个囚禁离子在电场力的作用下偏离囚禁势鞍点而产生的运动；

电场力测量模块，用于根据所述微运动指数测量单个囚禁离子所受电场力的大小。

可选地，还包括：

位移测量模块，用于根据所述微运动指数测量单个囚禁离子在电场力的作用下偏离囚禁势鞍点的距离。

可选地，所述计时起始信号模块包括：

依次设置的荧光光子生成单元、荧光光子收集单元和计时起始信号生成单元；

其中，所述荧光光子生成单元，用于单个囚禁离子在多普勒冷却激光的激发下产生荧光光子，所述荧光光子生成单元包括射频电极；

荧光光子收集单元，用于收集所述荧光光子；

计时起始信号生成单元，用于探测所述荧光光子，将探测到的荧光光子到达时刻作为所述时间数字转换模块的计时起始信号。

可选地，还包括：

设置在两个射频电极之间的同相位电容，用于消除由于两个射频电极的射频场相位不同而产生的微运动。

可选地，所述计时终止信号模块包括：

射频信号源，用于发射射频信号；

射频谐振器，用于放大所述射频信号源发射的所述射频信号；

计时终止信号生成单元，用于降低所述射频信号的频率，将频率降低后的所述射频信号到达所述时间数字转换模块终止端口的时刻作为计时终止信号，所述射频谐振器分别与所述射频信号源、所述计时终止信号生成单元连接。

可选地，还包括：

与所述射频谐振器连接的监测端口，用于监测所述射频谐振器输出到所述射频电极上的实际电压。

可选地，所述监测端口为：

分压电路，所述分压电路由两个不同容量的电容串联组成。

可选地，所述分压电容的一端焊接在所述射频谐振器的线圈上，另一端接地。

可选地，所述荧光光子生成单元为离子阱。

可选地，所述计时起始信号生成单元为光电倍增管。

本发明提供了一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统，包括：计时起始信号模块，用于为时间数字转换模块提供计时起始信号；计时终止信号模块，用于为时间数字转换模块提供计时终止信号；时间数字转换模块，用于记录所述计时起始信号和所述计时终止信号的时间间隔，根据所述时间间隔得到射频周期内荧光强度的分布情况，所述荧光是单个囚禁离子发出的；微运动指数确定模块，用于根据所述荧光强度的分布情况拟合得到单个囚禁离子的微运动指数，所述微运动为单个囚禁离子在电场力的作用下偏离囚禁势鞍点而产生的运动；电场力测量模块，用于根据所述微运动指数测量单个囚禁离子所受电场力的大小。

有鉴于此，本发明带来的有益效果为：

本发明利用计时起始信号模块为时间数字转换模块提供计时起始信号，利用计时终止信号模块为时间数字转换模块提供计时终止信号，时间数字转换模块记录计时起始信号和计时终止信号的时间间隔，采集得到在附加电场下射频周期内荧光强度的分布情况，对荧光强度的分布情况进行拟合得到精确的微运动指数，根据微运动指数精确测量附加电场施加在单个囚禁离子上的微弱电场力。本发明将囚禁离子作为高精密超灵敏的电场力检测器，采用射频光子关联技术测量由电场对单个囚禁离子产生的微弱电场力，适用于纳米量级空间对三维方向的探测，测得的灵敏度超过其他方案一个数量级。

附图说明

图1为本发明电场力探测系统的结构示意图；

图2为本发明计时起始信号模块的结构示意图；

图3为本发明计时终止信号模块的结构示意图；

图4为本发明实施例中刀片离子阱的结构示意图；

图5为本发明实施例中刀片离子阱的电极结构示意图；

图6为本发明一个实施例的结构示意图；

图7为本发明实施例两个不同电场下的射频光子关联信号及拟合曲线图；

图8为本发明中微运动指数和施加的电极电压的依赖关系示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统，以解决现有技术中对囚禁离子所受微弱电场力的测量精度不够高的技术问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

目前，微米级或纳米级的机械谐振器可以用于探测弱电场、弱磁场、光压等产生的微弱的力。例如，悬臂式阿牛顿(10^-18N，aN)力探测器可以用于万有引力探测以检测其在亚毫米长度量级下是否会违反牛顿万有引力定律。随着科学研究对测量精度要求的不断提高，需要测量仄牛顿(10^-21N,zN)甚至是幺牛顿(10^-24N,yN)量级的力。传统的机械探测器难以达到仄牛顿、幺牛顿量级的测量精度，需要寻求新的测量系统来实现更高的精度。

囚禁离子带有电荷，其质量和体积极小，可以视为完美质点探针，从而高精度高灵敏地探测电磁作用力。

现有技术中，有人利用相位相干多普勒测速仪对囚禁离子作探测，他们在Penning阱中囚禁铍离子，用激光将铍离子冷却到离子晶体的状态；在外部施加一个随时间变化的外力作为系统的微扰，通过测量离子晶体的多普勒荧光的变化来测量出外力的大小，对整个离子晶体可以探测到的精度达到390±150yN·Hz^-1/2。这种测量电场力方案需要多个(约100个)离子冷却到离子晶体，直接测量的是整个离子晶体的荧光变化，从而推断出的电场力是对整个离子晶体作用，探测空间区域较大，无法对微米量级的空间进行有效探测，对电场力的测量也被限制在囚禁离子受迫振荡的频率响应范围。

现有方案中，也有人将经典力学中的胡克定律与囚禁单离子系统相结合的方法来测量弱力，他们利用线性Paul阱囚禁单个¹⁷⁴Yb⁺，并用激光将离子冷却到接近多普勒冷却极限温度的离子晶体状态。通过搭建一套高分辨率的光学成像系统，将离子的荧光成像放大约400倍，在EMCCD上成像。当离子受到某一个方向上的力的扰动时，会产生一个微小的位移Δx，通过在EMCCD上对离子位移前后的图像进行拟合对比，测量出微小位移Δx约为30nm，利用简谐势阱胡克定律F＝kΔx可以计算出弱力的大小。这种测量方法测量精度可以到100仄牛顿即100zN，但其高放大率光学成像系统调节具有挑战性，纳米量级的位移变化对单个离子成像质量要求高，后期图像处理需要较高的数值模拟量，图像处理对光学成像的光轴方向的测量精度比较低，约为808±51zN·Hz^-1/2。

上述基于囚禁离子的电磁弱力测量方法，其缺陷严重限制了囚禁离子应用于的检测。

本发明采用测量单个囚禁离子发出的荧光，虽然由于荧光强度受限信噪比小，在测量力的灵敏度上小于相位相干多普勒测速技术。但是探测单个囚禁离子的位移可以达到纳米量级，可以测量的频率响应范围理论上也可以从直流到探测器的带宽。

本发明同样测量单个离子位移和微弱力，使用的射频光子关联方法可以对位移和微弱力的测量灵敏度相对于高分辨成像技术提高约一个量级。

请参阅图1，本发明提供了一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统的实施例，包括：

计时起始信号模块11，用于为时间数字转换模块提供计时起始信号；

计时终止信号模块12，用于为时间数字转换模块提供计时终止信号；

时间数字转换模块13，用于记录所述计时起始信号和所述计时终止信号的时间间隔，根据所述时间间隔得到射频周期内荧光强度的分布情况，所述荧光是单个囚禁离子发出的；

微运动指数确定模块14，用于拟合所述荧光强度的分布情况得到单个囚禁离子的微运动指数，所述微运动为单个囚禁离子在电场力的作用下偏离囚禁势鞍点而产生的运动；

电场力测量模块15，用于根据所述微运动指数测量单个囚禁离子所受电场力的大小。

优选地，本实施例还包括位移测量模块，用于根据所述微运动指数测量单个囚禁离子在电场力的作用下偏离囚禁势鞍点的距离。

请参阅图2，本实施例中，计时起始信号模块11包括：依次设置的荧光光子生成单元111、荧光光子收集单元112和计时起始信号生成单元113；其中，荧光光子生成单元111，用于单个囚禁离子在多普勒冷却激光的激发下产生荧光光子，荧光光子生成单元包括射频电极；荧光光子收集单元112，用于收集荧光光子；计时起始信号生成单元113，用于探测所述荧光光子，将探测到的荧光光子到达时刻作为时间数字转换模块的计时起始信号。

请参阅图3，本实施例中，计时终止信号模块12包括：射频信号源121，用于发射射频信号；射频谐振器122，用于用于放大射频信号源发射的射频信号；计时终止信号生成单元123，用于降低所述射频信号的频率，将频率降低后的所述射频信号到达所述时间数字转换模块终止端口的时刻作为计时终止信号，所述射频谐振器分别与所述射频信号源、所述计时终止信号生成单元连接。优选的实施方式，利用分频器来降低射频信号的频率。

在一个实施例中，在射频谐振器122外增加监测端口，监测端口与射频谐振器122连接，用于监测射频谐振器122上实际输出到射频电极上的电压。优选的实施方式，监测端口为由一大一小两个串联电容组成的分压电路，一端焊接在射频螺旋线圈上，另一端接地，再用导线引出大电容两端的电压用于监测。优选的实施方式，射频谐振器122为射频螺旋谐振器。

监测端口监测射频信号源121发射的射频信号，射频信号经过分频器降低信号频率后到达时间数字转换模块13的终止端口，将到达时刻作为时间数字转换模块13的计时终止信号。

优选地，在离子阱的射频电极即RF电极之间增加同相位电容，能够消除由于射频电极的射频场相位不同而产生的额外微运动。

本实施例中，在计时终止信号模块12中，在射频谐振器122外增加了监测端口，可以利用分压比监测射频电极的电压，为荧光光子到达时刻的相位信息提供更可靠参考。同时，利用分频器降低计时终止信号的频率，增加射频光子关联信号的周期为射频信号源周期的整数倍，利用重复的相位信息，可以更精确的拟合微运动指数，减小其不确定度，为微位移测量提供可靠数据。

值得说明的是，射频光子关联信号是荧光光子到达时刻与分频器后射频终止时刻的时间统计信号。

本实施例中，采用射频光子关联方法测量单个囚禁离子所受的微弱电场力。在射频光子关联方法中，单个囚禁离子由于杂散电场的存在偏离鞍点，会有附加的额外微运动。因为多普勒效应的存在，单个囚禁离子感受到的激光频率会发生变化，因此，单个囚禁离子发出的荧光强度就会被囚禁射频电场所调制。单个囚禁离子所受的杂散电场力越大，其偏离鞍点的位移越大，附加的额外微运动越大，那么囚禁射频电场的调制也就越大。本实施例利用射频光子关联方法探测单个囚禁离子额外微运动的过程如下：

(1)通过光电倍增管探测单个囚禁离子发出的荧光信号，并以探测到的荧光光子到达时刻作为时间数字转换模块的计时开始信号；

(2)将射频信号经过分频器后到达时间数字转换模块的终止端口的时刻作为计时终止信号；

(3)时间数字转换模块记录计时开始信号和计时终止信号的时间间隔Δt，并转换成一个数字信号，其中，时间间隔Δt实际上代表了荧光光子到达时刻对应的射频场的相位，该值出现的几率越大，则说明这一相位对应的荧光光子发射的几率越大。经过一段时间的测量，可以得到一个射频周期内荧光强度的分布情况。

(4)对一个射频周期内的荧光强度分布进行拟合，得到微运动指数。一般荧光强度变化越大，其微运动指数越高，可以推断单个囚禁离子偏离鞍点的位移越大，其受到的杂散电场力越大。

可以理解的是，在离子阱的电极上施加不同的电压，模拟的杂散电场力将单个囚禁离子推离囚禁势鞍点，单个囚禁离子在囚禁势的作用下产生额外微运动。由于多普勒效应的存在，单个囚禁离子感受到的激光频率会发生变化，因此，单个囚禁离子发出的荧光强度就会被囚禁射频电场所调制。单个囚禁离子所受的杂散电场力越大，其偏离鞍点的位移越大，附加的额外微运动越大，那么囚禁射频电场的调制在荧光信号中也就越大。

得到一个射频周期内荧光强度的分布情况后，对一个射频周期内的荧光强度分布进行拟合，得到微运动指数。一般荧光强度变化越大，其微运动指数越大，可以推断单个囚禁离子越偏离鞍点。可以利用得到的微运动指数测量由静电场对单个囚禁离子产生的超弱力。

本实施例中，荧光光子生成单元111可以为离子阱，例如采用如图4所示的刀片离子阱。利用激光实现对囚禁离子的多普勒冷却，在多普勒冷却激光的作用下，离子阱中的单个囚禁离子激发出荧光光子，荧光光子收集单元112(例如大数值孔径物镜)收集荧光光子，提高荧光光子的收集效率；计时起始信号生成单元113(例如光电倍增管)探测单个囚禁离子发出的荧光信号，并将探测到的荧光光子到达时刻作为时间数字转换模块13的计时开始信号。

如图4所示，刀片离子阱划分为DC电极和RF电极区域，刀片离子阱由两片DC电极和两片RF电极组成的。在DC刀片上刻缝分成不同的小块电极DC1-DC10，从而对每个小块电极上电压进行独立控制；在RF电极上施加射频电压RF1-RF2和DC偏置电压DC11-DC12，DC电极和RF电极设置如图5所示。相对于传统的四极杆离子阱，刀片离子阱能够精确的在划分更细致的DC电极上施加电压，更有效的控制囚禁离子电场。在离子阱的中心区域，其电势可以为：

其中，公式(1)右侧第一项表示直流DC电压分量，第二项表示射频电压分量，X(Y，Z)是离子阱的轴向(径向)主轴方向，VRF和Ω分别是射频电压的幅度和频率，V_DC是直流电压，R是离子阱中心和径向平面中电极之间的距离，κ′，α′，β′，γ′，κ，α，β，γ是离子阱的几何结构因子。

在典型的Pual离子阱中，质量为m和电荷为e的囚禁离子的运动方程由Mathieu方程给出，

其中，μ_i是离子位移，

是离子位移对时间的二阶导数，即加速度；i代表轴向主轴X方向，或两个径向主轴Y和Z方向，

当|a_i|＜＜1和|q_i|＜＜1时，公式(2)的一阶解是：

如果在囚禁势上有一个杂散的电场在i方向分量为E_i，那么离子的运动方程被修改为：

公式(4)对q_i和a_i最低阶的解是：

其中，

是增加杂散电场后的平衡位置到RF射频场鞍点的位移，u_1i是频率为

的久期运动的振幅，φ_si是久期运动的相位由离子位置和速度的初始条件决定，φ_i是微运动的相位。这个低阶解显示一个小的电场或弱力eE_i可以将离子移动u_0i，并且还会引起频率为Ω和幅度为u_0iq_i/2的附加微运动。

假设两个交流电极之间的相位差为零，微运动指数可以通过激光束检测并用

来描述，其中是

激光波矢量，

为附加的额外微运动。

如果检测激光沿一个主轴i方向，

其中，k为多普勒冷却激光波矢，k＝2π/λ，λ为其波长，以镱离子为例，其多普勒冷却激光波长为369.5nm。q_i是离子阱在i主轴方向上无量纲q参数，由离子阱的几何结构和囚禁电势决定，囚禁离子一般工作在最低稳定区域，q_i典型数值为0.2。m是囚禁离子质量，对镱离子¹⁷¹Yb⁺，m＝171×1.66×10^-27kg。ω_i是离子阱在i主轴方向宏运动的角频率，典型数值为2π×0.5MHz。

因此，一旦确定了β_i，就可以用公式(6)计算i方向上的微位移u_0i，和i方向F_j上的微弱电场力。

囚禁离子由于杂散电场产生的额外微运动会引起一阶多普勒效应，这将显著改变囚禁离子的激发荧光光谱。假设激发激光的电场具有振幅E₀、频率ω_L、相位

和波矢k，那么该激光场可以在离子附加微运动的静止坐标系中表示为：

其中，u’是附加的额外微运动，将傅立叶变换应用于公式(7)，在β＜＜1的情况下得到的激光光谱电场强度E(ω)项近似如下：

E(ω)∝J₀(β)δ(ω-ω_L)+J₁(β)[δ(ω-ω_L-Ω_RF)-δ(ω-ω_L+Ω_RF)]  (8)

在低光强度I＜＜I_sat饱和光强的条件下，离子跃迁可以描述为具有中心角频率ω₀和阻尼率Γ(跃迁线宽)的经典阻尼谐振子。其对频率ω激发的频率响应为：

因此，利用傅里叶逆变换，光电倍增管探测到的单个离子荧光为：

其中，J₀和J₁分别是0阶和1阶第一类贝塞尔函数，E(ω)是激发激光在运动离子参考系下的光谱电场强度，A是离子荧光光谱强度，Δ＝ω-ω₀＝-Γ是激发激光频率与离子共振频率的失谐，可以通过碘饱和吸收谱稳定多普勒冷却激光频率将其锁定，使其红失谐等于离子跃迁线宽。t是时间数字转换器记录的时间。相位

和

可以代入数值计算。A*是A的复共轭函数，Ω_rf是囚禁离子射频电场角频率。在微运动指数β＜＜1的情况下，

项可忽略。

根据公式(10)，微运动指数可以从时间数字转换器(TDC)记录的实验数据S中拟合得出，再从公式(6)确定施加到单个离子的微弱电场力及产生的微位移。

本实施例通过设计激光从离子运动主轴方向传播，收集单个囚禁离子与激光相互作用发出的荧光，建立射频光子关联统计信息，分析单个囚禁离子在主轴方向的运动，实现对单个囚禁离子产生的仄牛顿超弱力的测量，探测的空间灵敏度可以在离子运动主轴方向达到纳米量级。技术上可以用三束在离子运动主轴方向的激光，实现三维电场对单个囚禁离子产生的仄牛顿超弱力的测量，探测的空间灵敏度可以在三维方向上达到纳米量级。

请参阅图6，本发明提供的基于单个囚禁离子的电场力探测系统的另一个实施例，其中，离子阱包括DC电极和RF电极即射频电极，离子阱中的单个囚禁离子在多普勒冷却激光的激发下产生荧光光子，荧光光子收集系统与离子阱连接，收集囚禁离子发出的荧光光子；光电倍增管将探测的荧光光子到达时刻作为时间数字转换器的计时起始信号；在射频螺旋谐振器外增加监测端口，监测端口为两个不同容量的电容串联组成的分压电路，监测射频螺旋谐振器输出到射频电极上的实际电压，单个囚禁离子由于附加电场的存在偏离囚禁势鞍点而形成额外的微运动；在两个射频电极之间增加同相位电容，消除由于射频电极的射频场相位不同而产生的额外微运动；离子阱中的射频电极与射频螺旋谐振器连接，射频螺旋谐振器的监测信号经过分频器后到达时间数字转换器的终止端口，将射频信号到达时间数字转换器终止端口的时刻作为时间数字转换器的计时终止信号；时间数字转换模块记录计时起始信号和计时终止信号的时间间隔，采集得到射频周期内荧光强度的分布情况；根据所述荧光强度的分布情况拟合得到单个囚禁离子的微运动指数，根据微运动指数测量单个囚禁离子所受电场力的大小和在电场力作用下产生的微位移。

本实施例中，增加了对射频螺旋谐振器的监测端口，可以利用分压比监测射频电极电压，为荧光光子到达时刻的相位信息提供更可靠参考。同时利用分频器，降低了终止信号的频率，增加射频光子关联信号的周期为射频信号源周期的整数倍，利用重复的相位信息，可以更精确的拟合微运动指数，减小其不确定度，为微位移和微弱电场力的测量提供可靠数据。

请参阅图7，在一个实施例中，由时间数字转换模块采集到的两个不同电场下的射频光子关联信号及拟合曲线如图7所示。

时间数字转换器的时间记录单元Time bin为216ps。黑色方框代表一个电场下的时间数字转换模块采集的荧光信号，实线是拟合曲线，拟合得到的微运动指数β1＝0.0306±0.0028。空心圆圈和虚线为在另一个电场下的荧光信号和拟合曲线，拟合得到的微运动指数β2＝0.0030±0.0026。

利用公式(10)，可以拟合图7中空心圆圈的射频光子关联信号，得到微运动指数最小值为β＝0.0030±0.0026，可以认为离子在测量精度下已经在囚禁势的鞍点，其数值也与其他文献报道在同一数量级。当改变囚禁电极电压时，相对于囚禁势鞍点的电压改变越大，离子所受到附加电场力就越大，被推动的距离就越远。离子在新的平衡位置的额外微运动就越大，微运动指数就越高，如图7中黑色方框的射频光子关联信号，得到微运动指数β＝0.0306±0.0028。

本实施例中，如图6所示的电场力探测系统，采用了同相位电容确保两个射频电极上相位相同，假设多普勒冷却激光沿离子运动主轴方向之一如i方向入射，可以用公式(6)计算离子在附加电场力的作用下偏移囚禁鞍点的位移u_0i，公式确定附加电场力F_i的大小：

其中，k为多普勒冷却激光波矢，k＝2π/λ，λ为其波长，以镱离子为例，其多普勒冷却激光波长为369.5nm。q_i是离子阱在i主轴方向上无量纲q参数，由离子阱的几何结构和囚禁电势决定，囚禁离子一般工作在最低稳定区域，q_i典型数值为0.2。m是囚禁离子质量，对镱离子¹⁷¹Yb⁺，m＝171×1.66×10^-27kg。ω_i是离子阱在i主轴方向宏运动的角频率，典型数值为2π×0.5MHz。

本实施例中，利用射频光子关联方法可以测量得出单个囚禁离子在作用下的位移u_0i，从而有效的利用单个囚禁离子探针，实现在纳米量级空间的电场灵敏探测。用图7所取得的拟合数据利用公式(6)和以上数值估算，在不同的电压作用下，囚禁离子偏离囚禁势鞍点的距离分别约为是1.8±1.6nm和18.0±1.6nm，其方向和激光指向的离子运动i主轴方向保持一致。通过三个主轴方向的测量，其探测的空间灵敏度可以达到纳米量级。

同样，利用公式(6)，本发明利用微运动指数推出在该方向施加的额外微弱电场力F_i。由图7数据，在100s的测量时间下，在不同的电场作用下，单个囚禁离子所受的附加电场力分别约为4.9±4.3zN和50.4±4.6zN，其对应的探测灵敏度为49±43zN·Hz^-1/2。

在一个实施例中，微运动指数和施加的电极电压的依赖关系如图8所示，同时图8还利用公式(6)展示了微运动指数与施加的电极电压关系。在电极2和7上施加不同的电压将单个囚禁离子推离囚禁势鞍点，使用时间数字转换器记录荧光的直方图，并用公式(10)拟合微运动指数。然后可以从公式(6)推导出单个囚禁离子的微位移和施加的微弱电场力，图8证明微弱电场力与施加电压的改变量成正比，且在囚禁势鞍点两侧的电场力方向相反。

图8表示的是微运动指数β_i对电极2和电极7上施加电压的依赖性。其中，V7＝V2+0.25V。实线是公式(6)的拟合。V2＝11.75V处时间数字转换模块测量的直方图就是图7中的空心圆圈，V2＝12.25V处时间数字转换模块测量的直方图就是图7中的实心方框，其对应的微运动指数分别为β_i＝0.0030±0.0026、β_i＝0.0306±0.0028；相应施加的电场力可估算为4.9zN、50.4zN。其余各点对应的额外微运动指数和施加的电场力也可以分别得出，以V2＝11.75V为交点的两条直线其斜率代表了沿主轴的电场力正负方向。

本发明实施例提供的基于单个囚禁离子的电场力探测系统，采用单个囚禁离子探测微弱电场力。具体过程为：利用激光实现对单个囚禁离子进行多普勒冷却，优化离子阱电极设计，使囚禁的单个离子能灵敏的响应附加电磁场；使用碘饱和无多普勒效应吸收光谱对激光进行稳频操作，减少激光频率与离子跃迁频率的失谐量波动，为微运动指数提供稳定参数；采用大数值孔径物镜优化离子荧光收集效率，为射频光子关联法提供起始信号；改进射频谐振器的电路，消除射频电极上的相位影响；利用分频电路后的射频信号为射频光子关联法提供终止信号；利用时间数字转换模块记录起始信号和终止信号的时间间隔，统计在两个射频周期内荧光强度的分布情况；拟合得到微运动指数，从而推断出微弱电场力大小和作用的空间信息。

本实施例提供的基于单个囚禁离子的电场力探测系统，通过设计激光从离子运动主轴方向传播，收集单个囚禁离子与激光相互作用发出的荧光光子，建立射频光子关联统计信息，分析单个囚禁离子在主轴方向的运动，实现对单个囚禁离子所受的仄牛顿量子超弱力的测量，探测的空间灵敏度可以在离子运动主轴方向达到纳米量级。技术上可以用三束在离子运动主轴方向的激光，实现三维电场对单个囚禁离子所受的仄牛顿超弱力的测量，探测的空间灵敏度可以在三维方向上达到纳米量级。

本实施例利用囚禁离子作为高精密超灵敏的电场力检测器，采用射频光子关联技术测量由电场对单个囚禁离子产生的微弱电场力，适用于纳米量级空间对三维方向的探测，测得的灵敏度估算可以达到49±43zN·Hz^-1/2，测量精度超过单离子超高分辨成像方案一个数量级。

本发明在射频光子关联方法中，利用一阶多普勒效应，对单个囚禁离子的额外微运动进行探测。根据单个囚禁离子运动的矢量特性，可以将其运动方向按照囚禁电势决定的主轴方向投影。由于多普勒效应只存在于激光波矢方向，因此其测量的微运动振荡方向和偏离囚禁鞍点的位移方向实际上是由激光指向一致的。本发明提出在单个囚禁离子运动的主轴方向分别用激光光束进行测量，从而确定其由额外电场产生的偏离鞍点的位移，并确定额外电场力的大小。

本发明首次记录多射频周期的射频光子关联信号图，拟合微运动指数。首次提出利用微运动指数测量单个囚禁离子在运动主轴方向的微位移和施加的微弱电场力的技术方案，实现了对单个囚禁离子在三维方向的纳米量级的微位移和仄牛顿量级的检测灵敏度。

本发明改进射频光子关联技术，从原理上证明可以测量附加电场力对单个囚禁离子产生的仄牛顿的超弱力，探测空间灵敏度可以在三维方向达到纳米量级，测得的微弱电场力灵敏度超过原有单离子方案一个数量级。本发明提出的方案可以实现在纳米尺度的高精度测量仄牛顿量级的微弱电场力。

本实施例提供的基于单个囚禁离子的电场力探测系统，改进了射频光子关联方法精确测量单个囚禁离子的微运动指数，利用微运动指数精确测量附加电场施加在单个囚禁离子上的微弱电场力，还可以利用微运动指数精确测量单个囚禁离子在电场力作用下的微位移。

值得说明的是，如果有宽带高量子效率的成像设备，可以采用类似的技术方案，把本发明中光电倍增管和时间数字转换器用高速高量子效率的成像设备替代，使用图像处理与射频关联相结合的方法，对单个囚禁离子可以达到更高的探测灵敏度。现有技术中对离子的外加调制是宏运动(100kHz量级)，本实施例提供的基于单个囚禁离子的电场力探测系统，可以测量离子的微运动调制(10MHz量级)，实现更灵敏的单个囚禁离子的探测。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于单个囚禁离子的电场力探测系统，其特征在于，包括：

计时起始信号模块，用于为时间数字转换模块提供计时起始信号；

所述计时起始信号模块包括：

依次设置的荧光光子生成单元、荧光光子收集单元和计时起始信号生成单元；

其中，所述荧光光子生成单元，用于单个囚禁离子在多普勒冷却激光的激发下产生荧光光子，所述荧光光子生成单元包括射频电极；

荧光光子收集单元，用于收集所述荧光光子；

计时起始信号生成单元，用于探测所述荧光光子，将探测到的荧光光子到达时刻作为所述时间数字转换模块的计时起始信号；

计时终止信号模块，用于为时间数字转换模块提供计时终止信号；

所述计时终止信号模块包括：

射频信号源，用于发射射频信号；

射频谐振器，用于放大所述射频信号源发射的所述射频信号；

计时终止信号生成单元，用于降低所述射频信号的频率，将频率降低后的所述射频信号到达所述时间数字转换模块终止端口的时刻作为计时终止信号，所述射频谐振器分别与所述射频信号源、所述计时终止信号生成单元连接；

时间数字转换模块，用于记录所述计时起始信号和所述计时终止信号的时间间隔，根据所述时间间隔得到射频周期内荧光强度的分布情况，所述荧光是单个囚禁离子发出的；

微运动指数确定模块，用于根据所述荧光强度的分布情况拟合得到单个囚禁离子的微运动指数，所述微运动为单个囚禁离子在电场力的作用下偏离囚禁势鞍点而产生的运动；

位移测量模块，用于根据所述微运动指数测量单个囚禁离子在电场力的作用下偏离囚禁势鞍点的距离；

电场力测量模块，用于根据所述微运动指数测量单个囚禁离子所受电场力的大小；

所述荧光光子生成单元为刀片离子阱，所述刀片离子阱由两片DC电极和两片RF电极组成，在RF电极上施加射频电压RF1-RF2和DC偏置电压DC11-DC12；

设置在所述两片RF电极之间的同相位电容，用于消除由于所述两片RF电极的射频场相位不同而产生的微运动；

当两个交流电极之间的相位差为零时，微运动指数通过激光束检测并用

来描述，其中

是激光波矢量，

为附加的微运动；u_0i是增加杂散电场后的平衡位置到RF射频场鞍点的位移；q_i是离子阱在i主轴方向上无量纲q参数，由离子阱的几何结构和囚禁电势决定；Ω是微运动的频率；φ_i是i主轴方向微运动的相位；

当检测激光沿一个主轴i方向时，

其中，k为多普勒冷却激光波矢，k＝2π/λ，λ为其波长；m是囚禁离子质量；ω_i是离子阱在i主轴方向宏运动的角频率；F_i为单个囚禁离子在i主轴方向所受电场力的大小，E_i为囚禁势上一个杂散的电场在i主轴方向上的分量。

2.根据权利要求1所述的基于单个囚禁离子的电场力探测系统，其特征在于，还包括：

与所述射频谐振器连接的监测端口，用于监测所述射频谐振器输出到所述射频电极上的实际电压。

3.根据权利要求2所述的基于单个囚禁离子的电场力探测系统，其特征在于，所述监测端口为：

分压电路，所述分压电路由两个不同容量的电容串联组成。

4.根据权利要求3所述的基于单个囚禁离子的电场力探测系统，其特征在于，所述分压电路的一端焊接在所述射频谐振器的线圈上，另一端接地。

5.根据权利要求1所述的基于单个囚禁离子的电场力探测系统，其特征在于，所述计时起始信号生成单元为光电倍增管。

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