Jony molekularne w pułapce Paula

Podobne dokumenty
- wiązki pompująca & próbkująca oddziaływanie selektywne prędkościowo widma bezdopplerowskie T. 0 k. z L 0 k. L 0 k

- wiązki pompująca & próbkująca oddziaływanie selektywne prędkościowo widma bezdopplerowskie. 0 k. z L 0 k. L 0 k

Podsumowanie W Spektroskopia dwufotonowa. 1. Spektroskopia nasyceniowa. selekcja prędkości. nasycenie. ω 0 ω Laser. ω 21 2ω.

2. Metody, których podstawą są widma atomowe 32

Laboratorium FAMO. Laboratorium ultrazimnej. Laboratorium małych zespołów jonów Laboratorium inżynierii kwantowej

Nierównowagowe kondensaty polarytonów ekscytonowych z gigantycznym rozszczepieniem Zeemana w mikrownękach półprzewodnikowych

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Metody badań spektroskopowych

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 1/21. 2 fi 0.5

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Podstawy informatyki kwantowej

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Ogólne cechy ośrodków laserowych

Wykład 6 Spektroskopia oscylacyjna. Model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego cząsteczki dwuatomowej

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

2/τ. ω fi Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 10 1/14 = 1. 2 fi 0.5

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Temperatura i ciepło

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Dyfrakcja na kryształach. Dyfrakcja na kryształach

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do astrofizyki I

WYBRANE TECHNIKI SPEKTROSKOPII LASEROWEJ ROZDZIELCZEJ W CZASIE prof. Halina Abramczyk Laboratory of Laser Molecular Spectroscopy

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Elektron i proton jako cząstki przyspieszane

Wiązania chemiczne. Związek klasyfikacji ciał krystalicznych z charakterem wiązań atomowych. 5 typów wiązań

Informatyka kwantowa i jej fizyczne podstawy Rezonans spinowy, bramki dwu-kubitowe

Pomiary przekrojów czynnych na oddziaływanie elektronów z atomami Cs w pułapce magneto-optycznej

FIZYKA STATYSTYCZNA. d dp. jest sumaryczną zmianą pędu cząsteczek zachodzącą na powierzchni S w

Pomiar energii wiązania deuteronu. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie energii wiązania deuteronu

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

Wzbudzony stan energetyczny atomu

Spektroskopia Analiza rotacyjna widma cząsteczki N 2. Cel ćwiczenia: Wyznaczenie stałych rotacyjnych i odległości między atomami w cząsteczce N 2

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

2/τ. ω fi = 1. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 1/21. 2 fi 0.5

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Ekspansja plazmy i wpływ atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu. Marcin Jedyński

Teoria kinetyczna gazów

Diagnostyka plazmy - spektroskopia molekularna. Ewa Pawelec wykład dla pracowni specjalistycznej

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

Podsumowanie W9. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2003/04. wykład 12 1

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Mody sprzężone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Fizykochemiczne metody w kryminalistyce. Wykład 7

Ćwiczenie 3. POMIAR ZASIĘGU CZĄSTEK α W POWIETRZU Rozpad α

Podsumowanie W10. Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 2004/05 1/21

Mody sprzęŝone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

Atomy wieloelektronowe i cząsteczki

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

Mody sprzęŝone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Struktura pasmowa ciał stałych

SPEKTROSKOPIA NMR. No. 0

Ekscyton w morzu dziur

kondensat Bosego-Einsteina

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Ćwiczenie nr 2 : Badanie licznika proporcjonalnego fotonów X

Spektroskopia. mössbauerowska

Ćwiczenie 57 Badanie absorpcji promieniowania α

Porównanie statystyk. ~1/(e x -1) ~e -x ~1/(e x +1) x=( - )/kt. - potencjał chemiczny

Seminarium. -rozpad α -oddziaływanie promienowania z materią -liczniki scyntylacyjne. Konrad Tudyka

Ciśnienie i temperatura model mikroskopowy

Różne dziwne przewodniki

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Fale materii. gdzie h= J s jest stałą Plancka.

Plan. Kropki kwantowe - część III spektroskopia pojedynczych kropek kwantowych. Kropki samorosnące. Kropki fluktuacje szerokości

26 Okresowy układ pierwiastków

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

w obszarze linii Podziały z różnych punktów widzenia lasery oscylatory (OPO optical parametric oscillator)

Fizyka silnie skorelowanych elektronów na przykładzie międzymetalicznych związków ceru

Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

Ćwiczenie nr 5 : Badanie licznika proporcjonalnego neutronów termicznych

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Co to jest kropka kwantowa? Kropki kwantowe - część I otrzymywanie. Co to jest ekscyton? Co to jest ekscyton? e πε. E = n. Sebastian Maćkowski

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Fonony. Fonony

Yuriy Stepanenko, Paweł Wnuk, and Czesław Radzewicz

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Elementy chemii obliczeniowej i bioinformatyki Zagadnienia na egzamin

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Stany skupienia materii

Chiralność w fizyce jądrowej. na przykładzie Cs

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Rozkłady statyczne Maxwella Boltzmana. Konrad Jachyra I IM gr V lab

Badanie Gigantycznego Rezonansu Dipolowego wzbudzanego w zderzeniach ciężkich jonów.

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Laser He - Ne. Laser helowo-neonowy. Linie laserowe. ] Ne [3p 4. Ne [3s 2. ] λ = 3.39 µm Ne [2s 2. ] λ = 1.15 µm ] λ = 0.63 µm.

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

Nanofizyka co wiemy, a czego jeszcze szukamy?

Fizyka klasyczna. - Mechanika klasyczna prawa Newtona - Elektrodynamika prawa Maxwella - Fizyka statystyczna -Hydrtodynamika -Astronomia

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Spektroskopia fotoelektronów (PES)

CHARAKTERYSTYKA WIĄZKI GENEROWANEJ PRZEZ LASER

Transkrypt:

Jony molekularne w pułapce Paula Kraków 10.06.2016 Łukasz Kłosowski Uniwersytet Mikołaja Kopernika Krajowe Laboratorium FAMO Badania prowadzone na Uniwersytecie w Aarhus (Dania)

Pułapkowanie jonów motywacja

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

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

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,......

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...

Pierwsza obserwacja jonu molekularnego D. Wineland et al. Phys. Rev. Lett. 59 (1987) 2935-2938

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, 011401(R) (2000)

Produkcja jonów molekularnych metodą fotoablacji K. Chen et al. Molecular-ion trapdepletion spectroscopy of BaCl +, Phys. Rev. A 83, 030501(R) (2011)

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

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

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)

Jon w zmiennym polu elektrycznym Przykład: Amplitude of the electric potential [arb.u] 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 8 6 7 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 4 2 5 Ion's position [arb.u.] 3 1 Ion position [arb.u.] 1.5 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 2 1 3 4 6 5 7 8-1.5 0 200 400 600 800 1000 Time [arb.u.]

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

Diagram stabilności pułapki U end d

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) 083115

Wytwarzanie jonów atomowych Mg + 1 280 nm Energy [ev] 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 7S 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] 4 3 2 1 0 285 nm 24 Mg 24 Mg + -15-10 -5 0 5 10 15 Distance from the trap axis [mm] -8 3S -7.65 ev

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.

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

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.

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) 271-274

Wydajność metod optycznych i stosowania środowiska kriogenicznego Population [%] 70 60 50 40 30 20 10 300 K QCL off 30 K QCL off 300 K QCL on 30 K QCL on 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rotational state J

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) 271-274

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

Badanie stanu równowagi procedura pomiarowa P. Staanum, K. Højbjerre, P. Skyt, A. Hansen, M. Drewsen, Nature Physics 6 (2010) 271-274

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) 053002 Badanie dynamiki osiągania stanu równowagi Populacja [%] 50 40 30 20 10 Stan równowagi przed pierwszym impulsem 0 60 Następuje przenoszenie 50 obsadzenia z wyższych 40 30 stanów 20 10 0 60 Po czasie t kolejny 50 impuls zostaje wysłany 40 30 20 10 0 60 Mierzoną wielkością jest 50 ubytek kryształu 40 30 po drugim impulsie 20 10 0 0 1 2 3 4 5 Stan rotacyjny J Pulsed laser intensity t t 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time [s]

Eksperyment z pojedynczym jonem

Rezonansowy pomiar masy jonu molekularnego 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 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)

Badanie prawdopodobieństw obsadzeń stanów rotacyjnych

Ostateczny cel wszystkie jony w stanie podstawowym 70 60 300 K QCL off 30 K QCL off 50 300 K QCL on Population [%] 40 30 20 30 K QCL on 10 70 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rotational state J Population / probability [%] 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 Rotational state J

Ostateczny cel wszystkie jony w stanie podstawowym 70 60 300 K QCL off 30 K QCL off 50 300 K QCL on Population [%] 40 30 20 30 K QCL on 10 70 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rotational state J Population/probability [%] 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 Rotational state J

Ostateczny cel wszystkie jony w stanie podstawowym 70 60 300 K QCL off 30 K QCL off 50 300 K QCL on Population [%] 40 30 20 30 K QCL on 100 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rotational state J Population / probability [%] 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 Rotational state J

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 (03.04.2014) 76-79

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?

Statystyczny rozkład prędkości zderzeń

Średnia energia (temperatura) zderzenia jon-atom W układzie środka masy: T coll 25 25 4 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?

Pomiar temperatury ruchu obrotowego jonu poprzez badanie populacji stanów rotacyjnych J=0 population [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 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 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Rotational temperature [K]

Obserwowane stany rotacyjne w zależności od geometrii kryształu

T coll 25 29 T He 8 87k B E avg

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 2015-2018 Poszukiwani doktoranci!!!

Kryształ wieloskładnikowy

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)

Rys. Alex Gingell 2014