クーロン結晶を用いたナノ・イオンビーム源の研究

利用库仑晶体的纳米离子束源研究

• 批准号: 14780383
• 负责人: 伊藤 清一
• 金额: $ 2.3万
• 依托单位: Hiroshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14780383/
• 关键词: イオンビーム; クーロン結晶; レーザー冷却; ナノ・イオンイオンビーム; イオントラップ

本研究課題においては,線形ポールトラップ中に捕捉したカルシウムイオンをレーザー冷却により極低温化してクーロン結晶を生成し,これを引きだすことによりナノ・イオンビーム源とすることを目標とした.ここでは捕捉・冷却の対象としてカルシウムイオン(^<40>Ca^+)を用いた.カルシウムイオンをレーザー冷却するには波長397nmの青色レーザーと波長866nmの赤色レーザーが必要である.これらには取り扱いの容易さ,コストを考慮して外部共振器型波長可変半導体レーザーを使用した.青色レーザーに関しては本研究補助金により出力13mW,線幅8MHzの市販のシステムを購入した.赤色レーザーは,部品単位で購入し,出力20mW,線幅5MHzのシステムを製作した.この線幅より評価した到達温度は約20mKである.この程度まで冷却すればイオンがクーロン結晶化することを粒子間クーロン相互作用を考慮した数値シミュレーションにより確認した.イオンを捕捉する線形ポールトラップシステムも新たに製作した.このシステムは二つの線形ポールトラップを直列に接続した形となっている.まず一方のトラップでイオン化を行い,カルシウムイオンの単一化を行なったあと,もう一方のトラップへとイオンを移送し,捕捉,実験を行なう.このように,イオン化を行なう領域とクーロン結晶化する領域を独立させることにより,電極の汚染による電場の乱れを最小限に抑えることが出来る.イオンを効率良く移送するために,三次元汎用電磁界解析ソフト(MAFIA)により解析した電場分布を用いた数値シミュレーションと実験の両面から移送条件の最適化を行なった.上記のシステムを用いて,捕捉したカルシウムイオンにレーザーを照射し実験を行なったが,現在までのところ残念ながら,クーロン結晶の生成には成功していない.これはレーザーの波長安定性が原因であり,波長を安定化すれば上記システムによりクーロン結晶を生成することは十分に可能であると考える.現在レーザーの波長を安定化させるためのシステムを製作中である.

在此研究主题中，目标是通过激光冷却来创建纳米离子束源，以产生被困在线性极陷阱中的钙离子，然后提取并形成纳米离子束源。在这项研究中，钙离子（^<40> ca^+）被用作捕获和冷却的靶标。为了激光冷却钙离子，需要一个波长为397 nm的蓝色激光器和波长为866 nm的红色激光器。这些是外部共鸣，考虑到容易处理和成本。使用了设备型可调的半导体激光器。借助这项研究赠款，购买了一个商业可用的系统，其输出为13MW，并且购买了8MHz的线宽度。红色激光器以零件的单位购买，并制造了一个20MW且生产线宽度为5MHz的系统。从该线宽度测得的温度约为20MK。我们证实，通过考虑粒子间库仑相互作用的数值模拟，将离子冷却到这种程度上时会结晶库罗姆斯。捕获离子的线性极陷阱系统也是新的。该系统由串联的两个线性杆陷阱组成。首先，一个陷阱是离子化的，钙离子是统一的 ized，将离子转移到另一个陷阱，捕获和实验。通过这种方式，通过使电离区域独立和库仑结晶区分开，可以将电极污染引起的电场干扰最小化。为了有效地传递离子，我们使用3D通用电磁场分析软件（MAFIA）提供了通过分析的电场分布从数值模拟和实验中优化传输条件。使用上述系统，用激光照射捕获的钙离子，并进行实验。不幸的是，迄今为止，库仑晶体的生产还没有成功。这是由于激光的波长稳定性，并且认为如果波长稳定，则可以使用上述系统产生库仑晶体。我们目前正在研究一个系统来稳定激光波长。