Jony molekularne w pułapce Paula

Transkrypt

1 Jony molekularne w pułapce Paula Kraków Łukasz Kłosowski Uniwersytet Mikołaja Kopernika Krajowe Laboratorium FAMO Badania prowadzone na Uniwersytecie w Aarhus (Dania)

2 Pułapkowanie jonów motywacja

3 Nagroda Nobla 1989 Nagroda Nobla 2012 Norman F. Ramsey "for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks" Hans G. Dehmelt Wolfgang Paul "for the development of the ion trap technique" David J. Wineland Serge Haroche for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems

4 Przykłady eksperymentów z jonami atomowymi w pułapkach Teleportacja kwantowa Symulacje kwantowe Jon jako atomowy wzorzec częstotliwości

5

6 Jony molekularne a jony atomowe Więcej parametrów może być kontrolowanych z zewnątrz (stany oscylacyjne i rotacyjne) Z drugiej strony trudności doświadczalne związane bardziej złożoną strukturą energetyczną jonu Nowe możliwości zastosowań Nowe gałęzie badań: Chemia pojedynczych atomów i cząsteczek, Spektroskopia pojedynczych cząsteczek, Nowe eksperymenty z antymaterią,......

7 Eksperymenty z jonami molekularnymi w pułapkach Jony badane przez różne grupy: MgH +, BaCl +, BH +, OH +, FH +, anti-h 2- (w planach),... Spektroskopia małych zespołów jonów i pojedynczych jonów Badania nad antymaterią (antywodór cząsteczkowy) Chemia pojedynczych atomów i cząsteczek Chłodzenie stanów wewnętrznych cząsteczki, spektroskopia tych stanów, potencjalne zastosowania schłodzonych jonów...

8 Pierwsza obserwacja jonu molekularnego D. Wineland et al. Phys. Rev. Lett. 59 (1987)

9 Produkcja jonów molekularnych w reakcjach z jonami atomowymi K. Molhave and M. Drewsen, Formation of translationally cold MgH + and MgD + molecules in an ion trap, Phys. Rev. A 62, (R) (2000)

10 Produkcja jonów molekularnych metodą fotoablacji K. Chen et al. Molecular-ion trapdepletion spectroscopy of BaCl +, Phys. Rev. A 83, (R) (2011)

11 Inne możliwości, dotychczas nie stosowane Bezpośrednia fotojonizacja cząsteczki, nie stosowana jeszcze w eksperymentach z pułapkami. Wymaga stosowania złożonych technik wielofotonowych lub promieniowania synchrotronowego. Zderzenia cząsteczek z cząstkami naładowanymi, np. elektronami. Dotychczas nie stosowane w eksperymentach z pułapkami. Planowane zastosowanie w eksperymencie w KL FAMO w Toruniu

12 Zasada działania pułapki Paula. Czy możliwe jest zastosowanie pułapki elektrostatycznej?

13 Możliwe sposoby pułapkowania jonów Pułapki elektrostatyczne dla jonów o względnie wysokich energiach Wnęka zbudowana z dwóch zwierciadeł elektrostatycznych Pułapka Kingdona (kondensator cylindryczny z jonami poruszającymi się wokół wewnętrznej elektrody) Pułapki z polem magnetycznym Pułapka Penninga Zastosowanie zmiennych pól elektrycznych (pułapki typu Paula)

14 Jon w zmiennym polu elektrycznym Przykład: Amplitude of the electric potential [arb.u] Ion's position [arb.u.] 3 1 Ion position [arb.u.] Time [arb.u.]

15 Układy wyższego rzędu (np. oktupol) Pułapka planarna (płytka drukowana) Pułapka o elektrodach ostrzowych Pułapki typu Paula Klasyczna pułapka Paula (kwadrupol 3D) Liniowa pułapka segmentowa Pułapka pierścieniowa

16 Diagram stabilności pułapki U end d

17 Eksperyment w Aarhus Cryogenic Paul Trap Experiment (CryPTEx) Typowe ustawienia: f = 4 MHz V 0 = 240 V (pp) V end = 5 V M. Schwarz et al. Rev. Sci. Instrum. 83 (2012)

18 Wytwarzanie jonów atomowych Mg nm Energy [ev] S 6S 5S 4S 7P 6P 5P 4P 3P 285 nm 285 nm 7D 6D 5D 4D 3D 7F 6F 5F 4F Effective trapping potential [ev] nm 24 Mg 24 Mg Distance from the trap axis [mm] -8 3S ev

19 Chłodzenie translacyjne i krystalizacja Jony Mg + są chłodzone dopplerowsko za pomocą wiązek lasera 280 nm na przejściu 3s 2 S 1/2-3p 2 P 3/2. Fluorescencja 280 nm jest rejestrowana za pomocą kamery CCD wyposażonej we wzmacniacz obrazu z płytką mikrokanałową.

20 Wytwarzanie jonów MgH + w procesie fotoasocjacji Mg H MgH 2 H Reakcja jest energetycznie wzbroniona, brakuje około 2.5 ev. Energia wzbudzenia jonu Mg + do stanu 3p 2 P 3/2 wynosi 4.43 ev. Reakcja jest więc możliwa jeżeli jon Mg + znajduje się w stanie wzbudzonym. Mg ω H Mg H 2 2 MgH H

21 Chłodzenie pośrednie i formowanie kryształu z dwoma rodzajami jonów Stała oscylacyjna MgH + wynosi około 200 mev. Nawet w temperaturze pokojowej nie obserwuje się wzbudzeń oscylacyjnych.

22 Przejścia między stanami rotacyjnymi Zderzenia z drobinami gazu Oddziaływanie z promieniowaniem cieplnym elementów aparatury Oddziaływanie z promieniowaniem laserowym 6215 nm P. Staanum, K. Højbjerre, P. Skyt, A. Hansen, M. Drewsen, Nature Physics 6 (2010)

23 Wydajność metod optycznych i stosowania środowiska kriogenicznego Population [%] K QCL off 30 K QCL off 300 K QCL on 30 K QCL on Rotational state J

24 Resonance Enhanced Multi-Photon Dissociation (REMPD) Impulsy powtarzane z częstotliwością 10 Hz. Trzykrotne impulsy (ze względu na skończoną wydajność). P. Staanum, K. Højbjerre, P. Skyt, A. Hansen, M. Drewsen, Nature Physics 6 (2010)

25 Pomiar ubytku jonów molekularnych MgH + w krysztale Ze zdjęcia odczytywana jest objętość ciemnej części kryształu. Obsadzenie stanu J jest mierzone poprzez obserwację ubytku tej objętości: Drop V before V V before after

26 Badanie stanu równowagi procedura pomiarowa P. Staanum, K. Højbjerre, P. Skyt, A. Hansen, M. Drewsen, Nature Physics 6 (2010)

27 O. O. Versolato, M. Schwarz, A. K. Hansen, A. D. Gingell, A. Windberger, Ł. Kłosowski, J. Ullrich, F. Jensen, J. R. Crespo López-Urrutia, and M. Drewsen, Phys. Rev. Lett. 111 (2013) Badanie dynamiki osiągania stanu równowagi Populacja [%] Stan równowagi przed pierwszym impulsem 0 60 Następuje przenoszenie 50 obsadzenia z wyższych stanów Po czasie t kolejny 50 impuls zostaje wysłany Mierzoną wielkością jest 50 ubytek kryształu po drugim impulsie Stan rotacyjny J Pulsed laser intensity t t Time [s]

28 Eksperyment z pojedynczym jonem

29 Rezonansowy pomiar masy jonu molekularnego m m m m m m Przykładane jest dodatkowe napięcie przemienne do jednej strony pułapki: V 0 = 100 mv f = 30 khz Przykład innego zastosowania: sekwencyjna fotodysocjacja, (K. Højbjerre, PhD thesis, Aarhus 2009)

30 Badanie prawdopodobieństw obsadzeń stanów rotacyjnych

31 Ostateczny cel wszystkie jony w stanie podstawowym K QCL off 30 K QCL off K QCL on Population [%] K QCL on Rotational state J Population / probability [%] Rotational state J

32 Ostateczny cel wszystkie jony w stanie podstawowym K QCL off 30 K QCL off K QCL on Population [%] K QCL on Rotational state J Population/probability [%] Rotational state J

33 Ostateczny cel wszystkie jony w stanie podstawowym K QCL off 30 K QCL off K QCL on Population [%] K QCL on Rotational state J Population / probability [%] Rotational state J

34 Chłodzenie gazem buforowym Chłodzenie optyczne może okazać się niemożliwe dla wielu rodzajów jonów (bardziej złożona struktura, molekuły niepolarne) Szukamy bardziej uniwersalnego sposobu chłodzenia Jako gaz buforowy najwygodniejszy do zastosowania jest hel niska temperatura skraplania, wysokie energie wzbudzenia i jonizacji Udało się schłodzić jony MgH + do temperatury poniżej 8 K, co jest najniższą dotychczas uzyskana temperaturą dla ruchu rotacyjnego jonów molekularnych Eksperyment opisano w publikacji: A. K. Hansen, O. O. Versolato, Ł. Kłosowski, S. B. Christensen, A. Gingell, M. Schwarz, A. Windberger, J. Ullrich, J. R. Crespo Lopez-Urrutia, M. Drewsen, Nature 508 ( ) 76-79

35 Podstawowe pytania Jaka jest średnia energia zderzeń atom-jon w pułapce? Jaki jest rozkład statystyczny tej energii? Jak energia zderzenia zależy od warunków eksperymentu? Jak rozkład energii zderzeń wpływa na rozkład statystyczny stanów rotacyjnych jonu? Czy możliwa jest kontrola temperatury spułapkowanych jonów?

36 Statystyczny rozkład prędkości zderzeń

37 Średnia energia (temperatura) zderzenia jon-atom W układzie środka masy: T coll T He 2 3k B 4 25 E avg 4 Fundamentalne pytania: Jaka jest zależność między T coll a T rot? T T coll rot? Jaki jest rozkład obsadzeń stanów rotacyjnych przy nieboltzmannowskim rozkładzie energii zderzeń?

38 Pomiar temperatury ruchu obrotowego jonu poprzez badanie populacji stanów rotacyjnych J=0 population [%] J=0 J=1 J=2 J=3 P J 0 J 0 2J 1 1 J exp J 1 kt B = 0.78 mev rot B P J 1 P J 2 P J 3 J 0 J 0 J 0 2B 3exp kt J 2J 1exp rot 6B 5exp kt J 2J 1exp rot J 1B ktrot J 1B ktrot 12B 7exp ktrot J J 1B 2J 1 exp ktrot Rotational temperature [K]

39 Obserwowane stany rotacyjne w zależności od geometrii kryształu

40 T coll T He 8 87k B E avg

41 Eksperyment w KL FAMO w Toruniu Jony molekularne chłodzone translacyjnie za pośrednictwem jonów wapnia (masa 40 lub 44) Szeroki wybór jonów molekularnych (masy z zakresu od 20 do 100), zaczynając od CO 2 + (masa 44) Jonizacja w zderzeniach z elektronami Grant NCN na lata Poszukiwani doktoranci!!!

42 Kryształ wieloskładnikowy

43 Spodziewane rezultaty Otrzymanie schłodzonego zespołu jonów molekularnych o kontrolowanym składzie Przygotowanie do badań spektroskopowych takiego zespołu Metoda pomiaru przekroju czynnego na jonizację z zastosowaniem pułapki zasilanej napięciem impulsowym Badanie właściwości kryształu kulombowskiego o składnikach ze zbliżoną masą (np. CO 2 i 44 Ca)

44 Rys. Alex Gingell 2014