CN116047114B - 表面离子阱囚禁电场分布的测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面离子阱囚禁电场空间分布的测量方法，包括：向所述离子阱电极施加激励信号；通过包括带电探针组件的原子力显微测量模块对所述离子阱的电极表面进行扫描，其中，所述带电探针组件配置成与扫描对象表面的电场发生相互作用，并诱导所述带电探针组件发生偏转或振荡状态变化；通过所述原子力显微测量模块的光学系统检测所述带电探针组件的状态变化，以确定所述离子阱囚禁电场的空间分布情况。本发明所提供的离子阱囚禁电场分布的测量方法，支持基于原子力显微术对表面离子阱囚禁电场的空间分布进行直接测量，消除了理论计算方法与实际物理模型的差异，解决了表面离子阱电极加工品质和囚禁离子属性难以确定而导致后续量子操作实验效率极低的困扰。

Description

表面离子阱囚禁电场分布的测量方法及测量装置

技术领域

本申请涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种表面离子阱囚禁电场分布的测量方法及测量装置，一种用于微纳精密测量的带电探针组件的制备方法。

背景技术

Paul型离子阱系统因相干时间长、制备和读出效率高等优势而被认为是实现量子计算等技术的最佳平台之一，其基本原理是利用离子阱电极产生一个三维时变囚禁电场实现带电离子的囚禁并对其进行相关的量子操作。

囚禁电场的形式紧密依赖于其电极属性，尤其随着离子阱微型化的发展，电极制作的相对精度更加难以保证，从而导致物理离子阱的囚禁属性难以确定，而且射频击穿损坏问题更加凸显。目前，对于离子阱囚禁属性的分析，通常采用有限元或边界元的方法理论模拟其电场分布而实现。由于理想物理模型与实际工艺的差异，使得理论计算方法仅能为设计过程提供重要的指导意义，而无法实现其加工品质的检验和囚禁属性的表征，导致利用其进行后续量子操作实验的效率极低。此外，目前适于离子阱囚禁电场分布测量的电光晶体传感器，最小探头尺寸仍为毫米量级，限制了其测量分辨率，使其仅限于较大尺寸的宏观离子阱的测量。

随着微纳技术的迅速发展，原子力显微术成为微纳领域最强有力的测量技术，其中静电力显微术也已被广泛应用于微纳电学的表征，但由于其测量原理为针尖在距离样品表面数十至百纳米的空间下并对针尖或样品施加特定频率的电压信号而实现长程静电作用的探测，使得待测电学性质紧密依赖于探测时激励电压的频率及所用电学探针属性，然而离子阱电极产生囚禁电场所施加激励的为直流信号和射频信号，完全不同于静电力显微所用的与探针共振频率相关的激励电压信号，导致无法直接利用常规静电力显微术实现离子阱囚禁电场的空间分布测量。

因此，如何高效准确地测量离子阱电极所形成的电场分布，从而确定离子阱电极的工艺品质与离子阱的囚禁属性是本领域中亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，第一方面，本发明提供了一种表面离子阱囚禁电场分布的测量方法，包括：

向所述离子阱电极施加激励信号；

通过包括带电探针组件的原子力显微测量模块对所述离子阱电极的表面进行扫描，其中，所述带电探针组件配置成与扫描对象表面的电场发生相互作用，并诱导所述带电探针组件发生偏转或振荡状态变化；

通过所述原子力显微测量模块的光学系统检测所述带电探针组件的状态变化，以确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布情况。

根据本发明的第一方面，其中，所述带电探针组件包括：

悬臂，具有固定端和自由端，所述悬臂配置成在所述离子阱电极的表面扫描，并在受力状态下以固定端为轴发生偏转；

带电体，设置在所述悬臂的自由端，配置成与所述扫描对象的表面发生电场力的相互作用。

根据本发明的第一方面，其中，所述光学系统包括：

发射组件，配置成向所述悬臂的自由端发射激光；

接收组件，配置成接收由所述自由端反射的光信号，并转换为电信号；

信号分析组件，与所述接收组件耦接，配置成根据所述电信号确定所述带电探针组件的偏转响应信号，并根据所述偏转响应信号确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布情况。

根据本发明的第一方面，其中所述带电探针组件工作在静态模式、力曲线模式或动态模式下，以获得离子阱囚禁电场所要求的不同激励信号的情况。

根据本发明的第一方面，所述方法进一步包括：

在实际测量前，对所述接收组件的光学灵敏度进行校准，以获取所述电信号与所述带电探针组件的偏转响应信号的对应关系；和/或

在实际测量前，对所述悬臂的弹性常数进行校准，以获取所述偏转响应信号与所述悬臂的受力情况的对应关系。

根据本发明的第一方面，其中所述带电探针组件的偏转响应信号包括测量信号减去无电场作用下的偏转响应信号。

根据本发明的第一方面，所述方法进一步包括：

根据所述离子阱电极表面的电场分布情况确定所述离子阱电极的工艺属性及囚禁属性。

第二方面，本发明还提供一种用于原子力显微测量的带电探针组件的制备方法，包括：

将绝缘体与原子力显微悬臂进行粘接；

将粘接后的绝缘体定位至电容一侧极板的表面；

对所述电容施加高压，以使所述绝缘体上聚集电荷。

根据本发明的第二方面，其中

所述原子力显微悬臂包括无镀层无针尖悬臂，或通过腐蚀去除镀层的悬臂，所述悬臂的具有极小的弹性常数；

所述绝缘体包括绝缘微球，由聚四氟乙烯材料或聚苯乙烯材料制成；

所述绝缘微球与所述电容的一侧极板均具有纳米级光滑表面，且在制备过程中保持干燥和洁净。

第三方面，本发明还提供一种表面离子阱囚禁电场分布的测量装置，包括：

离子阱电场激励模块，配置成向所述离子阱电极施加激励信号；

原子力显微测量模块，包括带电探针组件和光学系统，所述原子力显微测量模块配置成对所述离子阱电极的表面空间进行扫描，其中：

所述带电探针组件配置成与扫描对象表面的电场发生相互作用，并诱导所述带电探针组件发生偏转或振荡状态变化；

所述光学系统配置成检测所述带电探针组件的状态变化，以确定所述离子阱电极表面的电场空间分布情况。

本发明的上述一个或多个实施例所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法及测量装置，采用特定设计的带电探针组件，基于原子力显微术对表面离子阱囚禁电场的空间分布进行直接测量，消除了理论计算方法与实际物理模型的差异，以及现有的测量方法中传感器属性的局限性，为表面离子阱电学属性的表征提供了一种高效且高分辨的测量方案，解决了表面离子阱电极加工品质和囚禁离子属性难以确定而导致后续量子操作实验效率极低的困扰。进一步，本发明所提供的用于原子力显微测量的带电探针组件的制备方法，实现了对电场分布的高效高分辨率探测，对于表面离子阱及其他微纳器件的工艺设计与优化研究具有重要的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。

图1示出了本发明的一个实施例所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法；

图2示出了本发明的一个实施例所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法中采用的探针组件；

图3示出了本发明的一个实施例所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法中采用的原子力显微测量模块的光学系统；

图4示出了本发明的一个实施例所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量装置；

图5示出了本发明的一个实施例所提供的用于原子力显微测量的带电探针组件的制备方法；

图6示出了本发明的一个实施例所提供的使用本发明所提供的测量装置测量表面离子阱囚禁电场的过程；

图7A示出了本发明的一个实施例所提供的对于带电微球探针的制备过程；

图7B示出了本发明的一个实施例所提供的对于带电微球探针的制备过程。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

原子力显微镜(Atom Force Microscope，AFM)通常使用带有尖锐针尖的探针在待测对象表面进行扫描，当针尖与待测对象表面的距离小于数十纳米后，针尖与待测对象间的相互作用诱导探针发生偏转。通过二者间距与探针偏转的对应关系，可确定待测对象的表面形貌信息。当探针为导电探针时，可实现待测对象的电学测量，但现有的导电探针均为全金属镀层，测量时探针与待测对象形成对电极，针对探针的共振频率相关的电学属性进行测量，而且全镀层增加了探针的弹性常数，使其局限于探针距离待测对象表面纳米空间下的探测，而且测量依赖于探针的频率属性，无法将其用于离子阱包含多种激励形式所形成电场及在微米空间下的独立测量。

本发明在现有技术的基础上，对于现有的原子力显微镜及技术进行改进，将其应用于待测对象电场分布的测量，从而解决表面离子阱囚禁电场的空间分布的实际测量问题。

为实现上述方案，需要使原子力显微探针组件的尖端带电，而悬臂部分绝缘，从而使探针组件的尖端与待测对象表面的电场发生电场力相互作用，而且测量须设置静电屏蔽和干燥环境控制。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，本发明提供一种表面离子阱囚禁电场分布的测量方法10，包括：步骤S101至步骤S103。其中：

在步骤S101中，向所述离子阱电极施加激励信号。在一些实施例中，通过信号发生器向待测的离子阱电极施加不同形式的激励信号，在不同形式的激励电学信号下，离子阱电极产生不同的空间电场分布。

在步骤S102中，通过包括带电探针组件的原子力显微测量模块对所述离子阱电极表面所形成电场进行扫描，其中，所述带电探针组件配置成与扫描对象表面的电场发生相互作用，并诱导所述带电探针组件发生偏转或振荡状态变化。不同于现有技术中原子力显微镜或其他相关表面分析仪器的电学测量，通过具有全金属镀层的探针与待测对象的电学参数相耦合而实现探测，使其测量结果紧密依赖于探针悬臂的镀层及弹性常数与频率属性，而且仅能实现距离待测对象表面为纳米空间下的探测，本发明所提供的测量方法10中，通过带电探针组件的尖端带电体感知待测电场，而带电探针组件的悬臂独立于待测电场，使得待测电场独立于探针组件的悬臂而仅由待测对象决定，消除了测量受限于探针属性的缺陷，实现在距离待测对象表面为微米空间下的电场分布的精密测量。

在步骤S103中，通过所述原子力显微测量模块的光学系统检测所述带电探针组件的状态变化，以确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布情况。通过原子力显微测量模块的光学系统对所述带电探针组件发生偏转或振荡的状态进行检测，根据所述带电探针组件发生偏转或振荡的幅度，确定所述带电探针组件在扫描对象表面电场中的受力情况，进而确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布。

本发明的上述实施例基于包括带电探针组件的原子力显微测量模块，实现了对于表面离子阱囚禁电场分布的高精度测量。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，本发明所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法10中，所述带电探针组件100包括：悬臂110和带电体120。其中：

悬臂110具有固定端和自由端，悬臂110配置成在所述离子阱电极的表面扫描，并在受力状态下以固定端为轴发生偏转。

带电体120设置在悬臂110的自由端，配置成与所述扫描对象发生电场力的相互作用。带电体120设置在悬臂110的自由端，随悬臂110在所述离子阱电极的表面进行扫描，如果对所述离子阱电极施加电学激励，则带电体120在所述离子阱电极所形成的空间电场之中受到电场力的作用。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，探针组件100中，带电体120包括带电微球，即聚集电荷的微球组件，在一些实施例中，以该带电微球替换现有技术中原子力显微探针的针尖。并且，将探针组件100的悬臂110及其他连接部的金属镀膜去除，例如采用腐蚀法去除探针组件100的悬臂110及其他连接部的金属镀膜，以防止带电微球上的电荷耗散。

本发明所提供的离子阱表面电场分布的测量方法10，通过改造现有技术中的原子力显微探针，将其悬臂改造为无镀层的极小弹性常数悬臂110，针尖改造为带电体120，从而仅带电体120感知离子阱囚禁电场的作用，而悬臂110独立于离子阱囚禁电场，使得待测电场不受探针镀层及弹性常数与频率属性限制。此外，本发明中的带电探针组件在距离待测对象的微米高度空间下探测，仅由电场力主导悬臂110偏转，对于检测成像具有作用，而其他常规纳米空间的原子力近场作用导致悬臂110的偏转几乎为零，进一步，测量环境作用导致悬臂110的偏转属于噪声或干扰的范畴。因此，在使用本发明所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法10，进行表面离子阱囚禁电场的空间分布测量时，预先对探针组件100进行校准以明确悬臂110的物理偏转和受力大小，同时可将其他作用干扰导致悬臂110的偏转排除，从而可以测得带电体120在离子阱电极表面的空间电场中受到电场力的作用而带动悬臂110偏转或状态变化值。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，本发明所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法10中，光学系统200包括发射组件210、接收组件220和信号分析组件230。其中：

发射组件210配置成向带电探针组件100的悬臂110的自由端发射激光。如图3所示，发射组件210向带电探针组件100的悬臂110的自由端背面发射检测光信号，即向带电体120所在位置的另一侧发射检测光信号。当带电体120与扫描对象有相互作用时，悬臂110发生偏转，检测光信号照射在悬臂110的自由端与带电体120所在位置相反的一侧上，该位置处反射光信号的方向也随之发生改变。

接收组件220配置成接收由所述自由端反射的检测光信号，并转换为电信号。接收组件220接收反射光信号，并定位光斑位置的变化，依据光斑位置的变化产生对应的电信号。

信号分析组件230与接收组件220耦接，配置成根据所述电信号确定带电探针组件100的偏转响应信号，并根据所述偏转响应信号确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布情况。也即，信号分析组件230根据所述电信号计算悬臂110的偏转情况，进而确定带电体120的受力情况，从而分析出扫描对象表面电场的空间分布情况。

根据本发明的一个实施例，本发明所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法10中，带电探针组件100工作在静态模式、力曲线模式或动态模式下，以获得表面离子阱囚禁电场所要求的不同激励信号的情况。

可选地，带电探针组件100工作在接触模式之下，即对带电探针组件100无施加激励，离子阱电极施加直流电场或低频交流电场，当带电体120扫描离子阱电极表面的电场时，因带电体120与待测电场间的作用，带动悬臂110发生静态偏转，单次扫描可明确待测电场在平面区域内的分布情况。

或者，带电探针组件100工作在力曲线模式之下，基本操作过程类似接触模式，不同的是力曲线测量过程包含带电探针组件100接近-退出待测电场特定距离的全过程测量，当带电体120处于离子阱电极表面的电场中时，记录带电探针组件100的悬臂110自由端在其整个接近-退出过程中因电场力作用而产生的静态偏转，单次测量可明确待测电场的单点纵向分布情况。

可选地，带电探针组件100工作在动态模式之下，即对带电探针组件100不施加激励或施加激励两种形式，但对离子阱电极施加高频交流电激励，当带电体120扫描离子阱电极表面的电场时，带电体120带动悬臂110发生振荡或振荡状态变化，明确待测高频交流电场的分布情况。

根据本发明的一个实施例，本发明所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法10进一步包括：

在实际测量前对接收组件220的光学灵敏度进行校准，以获取所述电信号与带电探针组件100的偏转响应信号的对应关系。和/或

在实际测量前对悬臂110的弹性常数进行校准，以获取所述偏转或振荡状态变化响应信号与悬臂110的受力情况的对应关系。

在实际测量前对于包括带电探针组件100、光学系统200的原子力显微模块进行校准，包括对悬臂110的弹性常数k和接收组件220的光学偏转灵敏度S进行校准，光学偏转灵敏度S的校准将悬臂110偏转的电学信号V转换为力学偏转x＝SV，并与弹性常数k相乘获得电场力作用F。

根据本发明的一个实施例，表面离子阱囚禁电场分布的测量方法10中，所述带电探针组件100的偏转响应信号包括测量信号减去无电场作用下的偏转响应信号。

在基于电场力诱导悬臂110偏转从而进行电场空间分布计算时，需预先获得无电场作用时其他外力干扰导致悬臂110所发生的偏转x0并将其扣除，即悬臂110总偏转为x1，则电场力作用诱导悬臂110的偏转x＝x1-x0。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，本发明还提供一种表面离子阱囚禁电场分布的测量装置300，包括：离子阱电场激励模块310和原子力显微测量模块320。其中：

离子阱电场激励模块310配置成向离子阱电极施加激励信号。对待测离子阱电极施加不同形式的激励信号，离子阱电极产生不同形式的空间电场分布。

原子力显微测量模块320包括如上文的一个或多个实施例所介绍的带电探针组件100和光学系统200，原子力显微测量模块320配置成在所述离子阱电极的表面进行扫描，其中：

带电探针组件100配置成与扫描对象所产生的电场发生相互作用，并诱导所述带电探针组件发生偏转或振荡变化。

光学系统200配置成检测所述带电探针组件的状态变化，以确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布情况。

其中，信号分析组件230配置成根据悬臂110的偏转值确定所述离子阱电极表面的电场分布情况。进一步地，信号分析组件230根据待测电场的空间分布信息确定离子阱的囚禁属性及其电极的工艺属性。

在一些实施例中，信号分析组件230根据所述离子阱电极所产生电场的空间分布情况确定所述离子阱电极的工艺属性，包括电极的几何参数、材料特性及表面/界面电学属性，以及所述离子阱电极囚禁属性，包括所述离子阱的阱高及阱深。

根据本发明的一个实施例，表面离子阱囚禁电场分布的测量装置300还包括带电探针组件制备模块，采用精密位移机构及光学显微辅助机构辅助定位带电体，制备包括带电体的带电探针组件，该制备模块与测量装置300集成，或独立于测量装置300设置。

悬臂110在对离子阱电极表面的电场进行扫描时，悬臂110自由端的带电体120受到电场力的作用，从而带动悬臂110发生偏转，悬臂110自由端背面上反射光信号的位置发生变化，信号分析组件230根据光斑位置的变化(接收组件220将其转换为电信号)分析悬臂110的受力情况，进而确定离子阱电极表面的电场分布情况。

将安装带电探针组件100的原子力显微测量模块通过接触模式或力曲线模式等测量模式对待测离子阱电极的电场进行三维扫描，可选地，原子力显微测量模块设置有静电屏蔽罩。

本发明的上述一个或多个实施例所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法及测量装置，采用特定设计的带电探针组件，基于原子力显微术对表面离子阱囚禁电场的空间分布进行直接测量，消除了理论方法与物理模型的差异，以及现有的测量方法中传感器属性的局限性，为表面离子阱电学属性的表征提供了一种高效且高分辨的测量方案，解决了表面离子阱电极加工品质和囚禁离子属性难以确定而导致后续量子操作实验效率极低的困扰。进一步地，本发明的上述一个或多个实施例所提供的表面离子阱囚禁电场分布的测量方法及测量装置，实现了对电场分布的高效高分辨探测，对于表面离子阱及其他微纳器件的工艺设计与优化研究具有重要的应用价值。

根据本发明的一个实施例，如图5所示，本发明还提供一种带电探针组件的制备方法20，包括步骤S201至步骤S203。其中：

在步骤S201中，将绝缘体与原子力显微悬臂进行粘接。

在步骤S202中，将粘接后的绝缘体定位至电容一侧极板的表面。

在步骤S203中，对所述电容施加高压，以使所述绝缘体上聚集电荷。

根据本发明的一个实施例，本发明所提供的带电探针组件的制备方法20中，所述原子力显微悬臂包括无镀层无针尖悬臂，或通过腐蚀去除镀层的悬臂，所述悬臂的具有极小的弹性常数。

根据本发明的一个实施例，所述绝缘体包括绝缘微球，由聚四氟乙烯材料或聚苯乙烯材料制成。

根据本发明的一个实施例，带电探针组件的制备方法20，通过机械式精密定位机构将无镀层原子显微探针依次定位至分散有胶粒的样品、绝缘微球的样品及具有纳米级表面光滑度电极的电容样品上，并利用高压源对电容样品施加高压，获得具有聚集电荷的微球探针。

根据本发明的一个实施例，所述绝缘微球与所述电容的一侧极板均具有纳米级光滑表面，且在制备过程中保持干燥和洁净。

下面介绍本发明的一个具体实施例。

如图6所示，将聚集有电荷q的微球探针接近至离子阱电极表面附近，预先对带电微球探针的弹性常数k和光学灵敏度S进行校准，通过信号发生器对待测离子阱的电极施加不同形式的电学信号，由于离子阱电极产生的电场与带电微球的作用诱导带电微球探针发生偏转，使得由激光器经由微球探针末端背面入射至光电探测器的光斑发生偏转，进一步地，光电探测器输出电流信号并经过I-V转换输出探针偏转电压信号V，结合上述的校准参数(带电微球探针的弹性常数k和光学灵敏度S)，获得离子阱电极形成的电场力分布，即F＝kSV＝kx，确定离子阱囚禁电场分布。

其中，对于带电绝缘微球的制备，如图7A、图7B所示。包括：

在带电微球探针制备的过程中，优选无金属镀层且低弹性常数k的悬臂作为探针基体、优选利用聚四氟乙烯与聚苯乙烯等绝缘微球对其进行粘接修饰而实现的。整个制备过程在干燥洁净环境中完成，以保持探针表面、小球表面与所用样品表面的干燥与洁净，并通过将无镀层悬臂依次定位至分散有胶粒的样品、绝缘微球的样品而获得微球探针(如图7A所示)。

通过机械式精密定位机构及光学显微镜辅助机构，将微球探针定位至具有纳米级表面光滑度电极的电容样品的上电极表面(图7B所示)，利用高压源向所述电容样品施加高压，并保持所述微球探针与电容样品上电极表面接触若干时间。

其中，对于微球探针的弹性常数k和光学灵敏度S进行校准包括：将带电微球安装至原子力显微测量模块进行校准，分别采用力曲线法及热噪声法对其偏转灵敏度及弹性常数实现校准。通过光学灵敏度S的校准，可将偏转电压信号V转换为力学偏转信号x。通过弹性常数k的校准，可将力学偏转位移信号x转换为力学信号F＝kx。此外，通过该校准可同时确定带电微球探针的工作参数，包括力学工作点的设置及扫描参数，实现电场分布的直接测量。

其中，使用包括带电微球探针的原子力显微测量模块对离子阱电极所产生电场的测量包括：将校准后的带电微球探针定位至离子阱电极表面上某一空间位置，预先通过力曲线模式或接触模式确定无外加电场作用时带电微球探针的力学偏转，记为x0；进一步地，利用信号发生器对离子阱电极施加激励信号，并利用带电微球探针再次进行力曲线模式或接触模式下的测量，获得微球探针的偏转x1，则在该空间位置的电场诱导微球探针的偏转为x＝x1-x0；通过带电微球探针沿离子阱电极表面空间的三维扫描测量，获得不同激励信号下离子阱电极的电场诱导微球探针偏转F的空间分布，从而确定离子阱电极囚禁电场的空间分布。

其中，根据所述待测离子阱电极囚禁电场的空间分布，确定离子阱电极的几何参数、材料特性及表面/界面电学属性等工艺属性，以及离子阱的囚禁高度和深度等囚禁属性。

本发明的上述实施例所提供的带电探针组件的制备方法，在原子力显微探针的基础上，制备尖端具有带电体的探针组件，从而为基于原子力显微术对表面离子阱囚禁电场的空间分布进行直接测量提供了可能，通过带电探针进行表面离子阱囚禁电场的直接测量，消除了现有理论方法的物理模型差异及测量方法因传感器属性限制的局限性，为表面离子阱电学属性的表征提供了一种高效且高分辨的测量方案，解决了表面离子阱电极加工品质和囚禁属性难以确定而导致离子阱的优化设计及相关量子操作实验难以进行的困扰。进一步地，为实现了对电场分布的高效高分辨率探测提供了可能，对于表面离子阱及其他微纳器件的工艺设计与优化研究具有重要的应用价值。

本领域技术人员能够理解，本发明所提供的上述制备方法，制备出的带电探针组件，同样适用于其他表面分析仪器，所述表面分析仪器包括但不限于原子力显微镜及扫描隧道显微镜等。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种表面离子阱囚禁电场分布的测量方法，其特征在于，包括：

向离子阱电极施加激励信号；

通过包括带电探针组件的原子力显微测量模块对所述离子阱电极的表面进行扫描，其中，所述带电探针组件配置成与扫描对象的表面电场发生相互作用，并诱导所述带电探针组件发生偏转或振荡状态变化；

通过所述原子力显微测量模块的光学系统检测所述带电探针组件的状态变化，以确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布情况；

其中，所述带电探针组件包括悬臂和带电体，所述悬臂具有固定端和自由端，所述带电体设置在所述悬臂的自由端，

所述测量方法还包括：

将所述悬臂及其他连接部的金属镀膜去除，改造为无镀层的极小弹性常数悬臂。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

所述悬臂配置成在所述离子阱的电极表面扫描，并在受力状态下以固定端为轴发生偏转；

所述带电体配置成与所述扫描对象的表面发生电场力的相互作用。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述光学系统包括：

发射组件，配置成向所述悬臂的自由端发射激光；

接收组件，配置成接收由所述自由端反射的光信号，并转换为电信号；

信号分析组件，与所述接收组件耦接，配置成根据所述电信号确定所述带电探针组件的偏转响应信号，并根据所述偏转响应信号确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布情况。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述带电探针组件工作在静态模式、力曲线模式或动态模式下，以获得离子阱囚禁电场所要求的不同激励信号的情况。

5.如权利要求3所述的方法，进一步包括：

在实际测量前，对所述接收组件的光学灵敏度进行校准，以获取所述电信号与所述带电探针组件的偏转响应信号的对应关系；和/或

在实际测量前，对所述悬臂的弹性常数进行校准，以获取所述偏转响应信号与所述悬臂的受力情况的对应关系。

6.如权利要求3所述的方法，其中所述带电探针组件的偏转响应信号包括测量信号减去无电场作用下的偏转响应信号。

7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，进一步包括：

根据所述离子阱电极表面的电场分布情况确定所述离子阱电极的工艺属性及囚禁属性。

8.一种带电探针组件的制备方法，其特征在于，包括：

将绝缘体与原子力显微悬臂进行粘接；

将粘接后的绝缘体定位至电容一侧极板的表面；

对所述电容施加高压，以使所述绝缘体上聚集电荷；

其中，

所述原子力显微悬臂包括无镀层无针尖悬臂，或通过腐蚀去除镀层的悬臂，所述悬臂具有极小的弹性常数；

所述绝缘体包括绝缘微球，由聚四氟乙烯材料或聚苯乙烯材料制成；

所述绝缘微球与所述电容的一侧极板均具有纳米级光滑表面，且在制备过程中保持干燥和洁净。

9.一种表面离子阱囚禁电场分布的测量装置，其特征在于，包括：

离子阱电场激励模块，配置成向离子阱电极施加激励信号；

原子力显微测量模块，包括带电探针组件和光学系统，所述原子力显微测量模块配置成对所述离子阱电极的表面进行扫描，其中：

所述带电探针组件配置成与扫描对象表面的电场发生相互作用，并诱导所述带电探针组件发生偏转或振荡状态变化；

所述光学系统配置成检测所述带电探针组件的状态变化，以确定所述表面离子阱囚禁电场的空间分布情况；

其中，所述带电探针组件包括悬臂和带电体，所述悬臂具有固定端和自由端，所述带电体设置在所述悬臂的自由端，

所述测量装置还包括：

悬臂改造模块，配置成将所述悬臂及其他连接部的金属镀膜去除，改造为无镀层的极小弹性常数悬臂。