Classical calculation of relativistic frequency-shifts in an ideal Penning trap
理想的潘宁阱由均匀磁场和静电四极势组成。在经典的低能极限下，在这种结构中捕获的带电粒子的三个特征本征频率不依赖于三个本征运动的振幅。无论理想的潘宁陷阱在实验上实现得多么精确，它的调和性最终还是要受到狭义相对论的影响。使用经典的一阶微扰理论的形式主义，我们计算的相对论频率的变化与运动的自由度存储在一个理想的潘宁陷阱的无自旋粒子，我们比较简单，但令人惊讶的准确模型的相对论质量增加的结果。
2014-03-06 physics.atom-ph
Fast shuttling of ions in a scalable Penning trap array
我们报告的设计和测试的阵列潘宁离子阱由印刷电路板。该系统能够使离子从一个捕获区快速穿梭到另一个捕获区，这可以用于量子信息处理。我们描述了进行模拟，以确定最佳的电位施加到陷阱电极，使这种运动。激光冷却钙离子云的初步实验结果表明，往返穿梭效率高达75%。
2009-01-18 physics.atom-ph
Cryogenic $^9$Be$^+$ Penning trap for precision measurements with (anti-)protons
利用激光冷却和量子逻辑方法的冷却和检测方案可以有助于重子扇区中的高精度CPT对称性测试。本文介绍了一个利用库仑相互作用对$^9$ Be $^+$离子进行共振冷却的实验。我们设计并建立了一个装置，首次在潘宁阱中显示了两个相同离子之间的这种耦合。在本文中，我们提出了成功的装载和多普勒冷却的云和单离子的证据。我们的耦合方案在一系列高精度测量中的应用在潘宁陷阱，并有可能大大提高这些实验中的运动控制。
2019-06-24 physics.atom-ph
Resistive and sympathetic cooling of highly-charged-ion clouds in a Penning trap
我们目前的测量电阻和交感冷却的离子云限制在潘宁陷阱。对于由一个离子种类组成的云的电阻冷却，我们观察到一个显着的偏离指数冷却行为，这是由能量传递模型解释。所观察到的交感神经冷却的同时限制的离子物种显示二次依赖于离子的电荷状态，因此与预期的稀释非中性等离子体的物理。
2014-10-31 physics.atom-ph
Capture and isolation of highly-charged ions in a unitary Penning trap
我们最近使用了一个紧凑的潘宁阱捕获和分离从电子束离子阱（EBIT）在美国国家标准与技术研究所（NIST）提取的高电荷离子。隔离的电荷状态的高度剥离的氩和氖离子与总电荷$Q \geq 10$，在高达$4\times 10^3\,Q$ eV的能量提取，被捕获在阱深度为$\,\approx (4\, {\rm to}\, 12)\,Q$ eV的陷阱。在这里，我们详细讨论的过程中，以优化速度调谐，捕获和存储的高电荷离子在一个单一的潘宁陷阱，旨在提供方便的径向访问原子或激光束的电荷交换或光谱实验，如那些感兴趣的建议研究的单电子离子在里德堡态或光学跃迁的亚稳态在多电荷离子。在接近最佳的条件下，在这种稀土潘宁阱中捕获和分离的离子的特征在于初始能量分布比通常在EBIT中发现的窄$\approx$ 60倍。这种热能的减少是被动地获得的，而在离子捕获阱中没有应用任何主动冷却方案。
2013-12-02 physics.atom-ph
Sympathetic cooling of charged particles in Penning traps using electron cyclotron radiation
Max-Planck-Institut für Kernphysik（马克斯·普朗克核物理研究所）
利用自冷却电子回旋辐射实现Penning陷阱中带电粒子的协同冷却，为基础物理测试提供新途径。
2026-02-13 physics.atom-ph
Electronic detection of charged particle effects in a Penning trap
我们提出了一个彻底的分析的电子检测带电粒子，局限在潘宁陷阱，通过图像电荷在陷阱电极中诱导。带电粒子在电极结构中的俘获导致频率偏移，这是由于图像电荷和空间电荷效应。这些效应对于涉及高电荷密度或需要高运动频率精度的潘宁陷阱实验是重要的。我们的图像电荷的分析表明，只有（高阶）奇功率的粒子位移导致感应电荷的差异，从而产生一个信号。这意味着，除了被捕获的粒子云的质心频率之外，更高阶的单个粒子频率也会感应出信号，该信号可以由附接到陷阱电极的电子检测电路拾取。我们还推导出图像电荷和空间电荷引起的频率偏移的解析表达式，并进行空间电荷效应的模拟。在这方面，我们讨论的后果的转移粒子频率的粒子运动的电阻冷却。
2006-08-04 physics.atom-ph
Optically transparent solid electrodes for precision Penning traps
我们已经构思、建造并操作了一个具有导电但光学透明的固体电极的低温潘宁阱。该阱采用半开放式设计，一端为开放式，另一端为封闭式，主要由玻璃窗和透明导电层组成。这种布置允许捕获外部或内部产生的颗粒，产生用于光学激发的灵活通路和来自捕获区域的有效光收集。同时，它是电封闭的，并确保在明确定义的条件下长期的离子约束。由于其优异的表面质量和其高且均匀的光透射，窗口电极是使用孔、狭缝、金属网等的部分透射电极的极好替代品。
2018-02-09 physics.atom-ph
Sympathetic Cooling of Protons and Antiprotons with a Common Endcap Penning Trap
我们提出了一个实验，通过共振耦合粒子的激光冷却铍离子使用一个共同的端盖技术，共振冷却质子和反质子在潘宁陷阱。我们的分析表明，（反）质子的制备在mK温度的时间尺度上的几十秒是可行的。该技术的成功实施将对质子和反质子基本性质的高精度比较产生直接和重大的影响。这反过来将提供一些对标准模型的基本对称性的最严格的检验。
2017-09-01 physics.atom-ph
Trap-integrated fluorescence detection based on silicon photomultipliers in a cryogenic Penning trap
本研究开发了集成于低温多彭宁阱系统的硅光电倍增管荧光探测方案，解决了密封低温阱腔光学通路受限的探测难题，表征了低温下器件性能并通过离子光谱验证了系统有效性。
2023-08-04 physics.atom-ph
Optical stimulated-Raman sideband spectroscopy of a single $^9$Be$^+$ ion in a Penning trap
本研究在低温5特斯拉彭宁阱中，利用双光子受激拉曼跃迁实现单根⁹Be⁺离子的光学边带光谱测量，通过两种耦合方案精准获取拉曼共振及轴向边带光谱，为彭宁阱量子逻辑操作及标准模型重子 sector高精度物质-反物质比较测试奠定关键基础。
2023-08-18 physics.atom-ph
Measurement of ultra-low heating rates of a single antiproton in a cryogenic Penning trap
我们报告的第一个详细的研究运动加热的低温潘宁陷阱使用单个反质子。采用连续的Stern-Gerlach效应，我们观察到回旋量子跃迁率为6（1）quanta/h和低于$7.5(3.4)\times 10^{-20}\,\text{V}^{2}\text{m}^{-2} \text{Hz}^{-1}$的电场噪声谱密度，这对应于低于$8.8(4.0)\times 10^{-12}\,\text{V}^{2}\text{m}^{-2}$的标度噪声谱密度，结果比其他离子阱实验报道的结果小两个数量级以上。
2019-01-28 physics.atom-ph
Texas A&M Penning Trap Facility - Design of the Measurement Trap
一个串联潘宁阱设施已经设计，并正在建设中，在得克萨斯州A&M大学回旋加速器研究所（TAMU-TRAP）。最初的实验计划将是T=2超允许β延迟质子发射体的相关参数的研究。测量阱是一种独特的大口径优化5电极圆柱形潘宁阱，其具有90 mm的自由半径，比任何现有的潘宁阱都大。这种新颖的几何形状允许感兴趣的衰变产物的完全径向容纳。陷阱也被设计成呈现出“可调”和“正交”的几何形状，这对于替代实验是有用的。
2012-08-20 nucl-ex physics.atom-ph
Fast adiabatic transport of single laser-cooled $^9$Be$^+$ ions in a cryogenic Penning trap stack
本研究在低温彭宁阱系统中实现了单$^9$Be$^+$离子的快速绝热输运，以支持协同激光冷却并提升多阱实验效率，为反质子量子逻辑光谱学奠定基础。
2023-09-13 physics.atom-ph
Rapid crystallization of externally produced ions in a Penning trap
研究了外加镁离子在潘宁阱中的冷却动力学、形成过程和介观晶体的几何结构。我们提出了一个冷却模型和测量的缓冲气体冷却和激光冷却的组合，已被发现，以减少离子动能的8个数量级，从几百eV到micro-eV及以下的几秒钟内。随着1000至100000的数量级的离子数，这样的冷却导致离子库仑晶体的形成，其显示与非中性等离子体理论一致的特征壳结构。我们显示的生产和表征的两种离子晶体作为一种手段的交感神经冷却的离子缺乏一个合适的激光冷却过渡。
2016-09-22 physics.atom-ph
Experimental access to higher-order Zeeman effects by precision spectroscopy of highly charged ions in a Penning trap
提出了一种在潘宁阱中研究高电荷态离子的激光-微波双共振光谱的实验方案和装置。这样的光谱学允许由于阱的磁场的精细和超精细结构能级的塞曼分裂的高度精确的测量。我们已经进行了详细的计算塞曼效应的框架中的量子电动力学的束缚态，目前在这样的高电荷离子。我们发现，除了线性塞曼效应外，二阶和三阶塞曼效应也分别在10^-4和10^-8的水平上对分裂有贡献，因此可以在目前准备中的ARTEMIS实验可达到的光谱分辨率范围内进行测定。
2013-06-06 physics.atom-ph
Fabrication of a planar micro Penning trap and numerical investigations of versatile ion positioning protocols
我们描述了一个通用的平面潘宁陷阱结构，它允许动态修改捕获的结晶几乎任意。该陷阱由37个六边形电极，每个具有300米的外接圆直径，在金蓝宝石光刻技术制造。每个六边形都可以单独寻址，从而形成电势。这种设备的制造与洁净室的方法进行了演示。我们说明了一个详细的数值模拟的横向和垂直运输的设备的可变性，我们模拟捕获在赛道和artificial晶体pacerurations。该阱可用于离子或电子，作为量子光学和量子信息实验的通用容器。
2010-03-01 physics.atom-ph quant-ph
Production of highly charged ions inside a cryogenic Penning trap by electron-impact ionisation
该研究构建了低温彭宁阱装置，利用电子碰撞电离高效产生高电荷态离子，并通过多次反射电子束提高效率，成功实现了Ar$^{16+}$和W$^{27+}$的产生与测量。
2023-12-31 physics.atom-ph
Classical-quantum correspondence for particles in the Penning trap
本文通过将经典轨迹注入定态波函数，构造了彭宁阱中粒子薛定谔方程的新解，从而建立了经典轨道与量子波函数之间的直接对应关系。
2023-05-24 physics.atom-ph quant-ph
Single Electrons in a Dual-Plane Printed-Circuit-Board Penning Trap
Harvard University（哈佛大学）；Northwestern University（西北大学）
在双平面PCB潘宁阱中实现单电子捕获与检测，表征了确定性加载、轴向阻尼、温度及碰撞诱导磁控管半径增长，为量子信息科学奠定基础。
2026-06-29 physics.atom-ph quant-ph
PENTATRAP: A novel cryogenic multi-Penning trap experiment for high-precision mass measurements on highly charged ions
新型五潘宁阱质谱仪PENTATRAP是在海德堡的马克斯-普朗克核物理研究所（MPIK）开发的。感兴趣的离子是长寿命的高电荷核素，直到裸露的铀。PENTATRAP的目标是使质量偶极的质量比精确到10^12分之几。PENTATRAP的一个物理计划包括与中微子物理学相关的β跃迁的Q值测量，极端电场状态下量子电动力学的严格测试，以及狭义相对论的测试。PENTATRAP的主要特点是可以获得高电荷离子源、多阱配置、同时测量频率、连续精确监测磁场波动、不同离子之间的快速交换以及高度灵敏的低温无损检测系统。本文介绍了研制新型质谱计PENTATRAP的动机、实验装置和现状。
2011-10-13 physics.atom-ph
Doppler Cooled Ions in a Compact, Reconfigurable Penning Trap
我们报告的设计和实验演示的一个紧凑的，可重构的潘宁离子阱构造与稀土永磁体放置在阱真空外壳外。我们描述了多普勒激光冷却离子在永磁体潘宁陷阱的第一次观察。我们详细介绍了一种方法，用于量化和优化的陷阱磁场均匀性原位使用中性$^{40}$钙前体原子的热束。在0.65 T下对$^{40}$ Ca $^+$进行了多普勒激光冷却，捕获离子荧光的侧视图显示了二维和三维阵列的结晶顺序。测量的$^{40}$ Ca $^+$陷阱频率证实了中性$^{40}$ Ca的磁场表征。这里描述的紧凑型阱能够实现各种冷离子实验，相对于传统的基于电磁体的潘宁阱，具有低尺寸、重量、功率和成本要求。
2019-09-13 physics.atom-ph quant-ph
Measurement of the Kr XVIII 3d $^2D_{5/2}$ lifetime at low energy in a unitary Penning trap
用另一种方法研究了多重电离原子中亚稳态的辐射衰变。在NIST，使用单一的潘宁阱从离子源选择性地捕获Kr $^{17+}$离子，在低能量下隔离地测量3d $^2D_{5/2}$亚稳态的衰变，而没有任何主动冷却。高度电离的原子被捕获在具有4（1）eV的能量扩展的电子基态配置的精细结构中，该能量扩展比离子源内窄约100倍。通过观察从3d $^2D_{5/2}$能级到基态的禁戒跃迁的可见637 nm光子发射，测得其辐射寿命为$τ=$ 24.48 ms +/- 0.28（stat.）ms +/- 0.14（系统）值得注意的是，对这种相对论性里德伯原子的各种理论预测与我们在1%水平上的测量一致。
2014-04-24 physics.atom-ph
First-order perturbative calculation of the frequency-shifts caused by static cylindrically-symmetric electric and magnetic imperfections of a Penning trap
理想的潘宁阱由均匀磁场和静电四极势组成。其正交对称偏差分别由系数Bn和Cn参数化。除了相对论性质量增加外，储存在理想潘宁阱中的带电粒子的三个特征本征频率与三个运动振幅无关。这种三重谐性是精密实验的一个令人垂涎的优点，精密实验依赖于测量至少一个本征频率，以确定存储粒子的基本属性，如其质量。然而，对理想场的高阶贡献导致振幅相关的频移。反过来，这些频移需要被理解，以估计系统的实验误差，并最终通过校准缺陷来校正它们。计算由近理想陷阱的小缺陷引起的频移的问题很好地屈服于微扰理论，产生易于评估实验的相关参数的解析公式。特别是，通过考虑哪些项实际上驱动了频移，可以在物理而不是纯数学的基础上理解频移。在此基础上，我们导出了任意扰动参数Bn或Cn引起的一阶频移的一般公式。
2014-01-09 physics.atom-ph
Demonstration of a Spherical Penning Trap for Single Electrons
Harvard University（哈佛大学）；Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms（哈佛-麻省理工学院超冷原子中心）
本文展示了一种球形彭宁阱，其具有分离清晰的微波共振模式，可用于电子磁矩精密测量以及暗光子和轴子搜索，并演示了单电子捕获和微波模式表征。
2026-06-08 hep-ex physics.atom-ph quant-ph
From a single- to a double-well Penning trap
新一代的平面潘宁陷阱有望成为量子信息研究的一种灵活而通用的工具。在这里，我们提出了一个完全可控的和可逆的方式来改变典型的陷阱谐波势到双阱势，在轴向方向。在这种配置中，捕获的粒子可以在两个阱之间进行相干振荡。隧穿速率取决于势垒高度和宽度，可以通过改变施加到陷阱电极的电势差来随意调节。最值得注意的是，在kHz的范围内的隧穿速率是可实现的，甚至与100微米的数量级的陷阱大小。
2010-08-18 physics.atom-ph quant-ph
Penning-Trap Mass Measurement of Helium-4
本研究利用高精度彭宁阱质谱仪LIONTRAP测定氦-4的原子质量，得到精度达12万亿分之一的$^{4}$He$^{2+}$离子质量并推导中性氦-4原子质量，精度略高于CODATA18文献值但存在6.6个标准差的偏差。
2023-11-07 physics.atom-ph
Electric and magnetic field optimization procedure for Penning trap mass spectrometers
高精度潘宁阱质谱法中的显着系统误差可能由电场和磁场缺陷引起。一个实验程序，以尽量减少这些不确定性的在线潘宁阱质谱仪ISOLTRAP，位于ISOLDE/CERN。从理想的磁场和电场的偏差探测通过测量的回旋频率和减少的回旋频率，分别作为一个函数的离子从制备阱的喷射和它们在精密阱中的捕获，这影响它们的轴向运动的能量之间的时间的存储离子。调整校正参数以使频移最小化。
2008-05-29 physics.atom-ph physics.ins-det
A Cryogenic Penning Trap Based on Permanent Magnets
Heinrich Heine Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫海因里希·海涅大学）；Institut für Physik, Johannes Gutenberg-Universität（美因茨约翰内斯·古腾堡大学物理研究所）；Max-Planck-Institut für Kernphysik（马克斯·普朗克核物理研究所）；GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH（达姆施塔特重离子研究中心）；Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学量子光学研究所）；Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）；RIKEN, Fundamental Symmetries Laboratory（理化学研究所基本对称性实验室）；Graduate School of Arts and Sciences, University of Tokyo（东京大学大学院人文社会系研究科）；CERN（欧洲核子研究中心）
本文介绍了一种基于钕铁硼永磁体的低温彭宁阱，在4K下运行，实现了质子、H₂⁺和电子的可靠约束及高精度单粒子探测，轴向频率稳定性达47 ppb，为紧凑可运输反质子阱系统奠定基础。
2026-09-24 physics.atom-ph
Resistive cooling of highly charged ions in a Penning trap to a fluid-like state
我们已经进行了详细的实验研究，如Ar $^{13+}$在低温潘宁阱的高电荷离子的大合奏电阻冷却。与[M. Vogel等人，Phys. Rev. A，043412（2014）]，当选择条件以允许离子的碰撞热化时，我们观察到纯指数冷却行为。我们提供的证据表明，在这种情况下，电阻冷却时间常数和最终温度是独立的初始离子能量，和热化离子合奏的冷却时间常数是相同的单离子冷却时间常数。对于足够高的离子数密度，我们的测量表明运动共振谱的不连续性，这表明当冷却到低于约14 K的温度时，离子系综过渡到流体状状态。在最终离子温度目前为7.5K的情况下，期望最高电荷状态的离子仅通过电阻冷却形成离子晶体，特别是不需要使用激光冷却。
2018-09-23 physics.atom-ph
The trap design of PENTATRAP
为德国海德堡的马克斯-普朗克核物理研究所的PENTATRAP质谱仪研制了一种新型的由五个补偿圆柱形潘宁阱组成的潘宁阱塔。阱塔内的静电势的解析表达式推导出计算标准的潘宁陷阱性能，如补偿的非谐性和正交几何形状的陷阱电极。由于前一篇文章中描述的PENTATRAP项目旨在对高电荷离子（最高可达铀）进行超高精度质量比测量，因此在设计过程中也考虑了阱塔内高电荷离子的系统效应。最后，由于剩余的非谐位移在大幅度的限制估计得到的几何形状，这是重要的相敏测量的离子的减少回旋频率。
2011-10-13 physics.atom-ph
Penning traps with unitary architecture for storage of highly charged ions
通过在电极结构中嵌入稀土永磁体，使潘宁陷阱非常紧凑。轴向取向的NdFeB磁体用于将电部件和磁部件耦合到集成结构中的整体架构中。我们已经建造了一个双磁体潘宁陷阱与径向访问，使使用激光或原子束，以及收集的光。配备离子光学的实验装置安装在NIST电子束离子阱（EBIT）设施中，限制为安装在用于传输高电荷离子的水平束线末端1米以内。高电荷态的氖和氩离子，提取的初始能量高达4000 eV每单位电荷，被捕获和存储研究的一个磁铁陷阱和两个磁铁陷阱的约束特性。设计考虑和一些测试结果进行了讨论。
2012-02-28 physics.atom-ph physics.ins-det
New bounds and future prospects for axion force searches at Penning trap experiments
本研究利用Penning阱实验探测轴子介导力，基于现有电子g因子测量给出单极-偶极轴子力的新排除极限，并提出利用电子-正电子切换方案分离轴子力效应、抑制系统误差的新思路。
2023-12-15 hep-ex hep-ph physics.atom-ph
Laser cooling of externally produced Mg ions in a Penning trap for sympathetic cooling of highly charged ions
我们用激光冷却了潘宁阱中的镁离子。外部产生的离子在飞行中被捕获，储存和激光冷却。垂直于冷却激光轴观察到激光诱导荧光。光学检测下降到单离子水平连同电子检测的离子振荡内的潘宁阱已被用来获取信息的离子存储时间，离子数和离子温度。已观察到离子晶体形成的证据。这些调查是一个重要的先决条件，同时存储的高电荷离子和精确的禁戒跃迁的激光光谱的共振冷却。
2013-04-02 physics.atom-ph physics.ins-det
Perpendicular laser cooling with a rotating wall potential in a Penning trap
研究了在潘宁离子阱中旋转壁面势对垂直激光冷却的影响。通过包括与旋转壁的能量交换，我们扩展了以前的多普勒激光冷却理论，并表明，低垂直温度更容易实现与旋转壁比没有。详细的数值研究确定了生产低温，稳定的二维晶体，重要的量子信息处理实验采用潘宁陷阱的最佳操作参数。
2016-05-29 physics.atom-ph physics.plasm-ph quant-ph
Highly Charged Ions in Rare Earth Permanent Magnet Penning Traps
美国国家标准与技术研究所（NIST）的一个新建造的装置是专为高电荷离子的分离、操纵和研究而设计的。高电荷离子在NIST电子束离子阱（EBIT）中产生，通过选择单个质量/电荷种类的束线提取，然后在紧凑的潘宁阱中捕获。阱的磁场由集成到其电极中的圆柱形NdFeB永磁体产生。在一个室温的原型陷阱与一个单一的NdFeB磁体，物种，包括Ne 10+和N7+被限制与存储时间为1秒，显示这种设置的操纵和光谱的高电荷离子在受控环境中的潜力。离子捕获已被证明与类似的存储时间在一个更复杂的潘宁陷阱，集成了两个同轴钕铁硼磁铁改善B场的均匀性。正在进行的实验利用第二代装置，该装置将这种双磁体潘宁阱与能够解析被捕获离子的电荷状态演化的快速飞行时间MCP检测器结合在一起。双磁体潘宁陷阱环电极中的孔允许光学和原子束进入。可能的应用包括光谱研究里德堡态的单电子离子，以及在原子物理学、计量学、天体物理学和等离子体诊断中感兴趣的高电荷离子。
2012-07-13 physics.atom-ph physics.ins-det
Individual qubit addressing of rotating ion crystals in a Penning trap
囚禁离子具有较长的相干时间和优良的门极特性，使其成为量子信息处理的有用平台。在RF保罗陷阱中缩放到更大数量的离子量子位需要很大的努力。用于捕获离子的另一种技术是经由潘宁阱，其中通过在强磁场存在下控制离子的旋转来形成数百个离子的2D晶体。然而，离子晶体的旋转使得单离子可寻址性成为一个重大挑战。我们提出了一个协议，利用变形镜引入AC斯塔克位移模式是静态的旋转框架的晶体。通过数值模拟，我们验证了该协议在数百个离子的晶体阵列中执行高保真单离子门的潜力。
2022-04-30 physics.atom-ph quant-ph
Second-Scale $^9\text{Be}^+$ Spin Coherence in a Compact Penning Trap
我们报告微波光谱的共同捕获$^9\text{Be}^+$和$^{40}\text{Ca}^+$在一个紧凑的永磁潘宁离子阱。该陷阱是由一个可重构阵列的钕铁硼环提供一个0.654 T的磁场，是附近的0.6774 T磁场不敏感的超精细跃迁$^9\text{Be}^+$。在这个超精细跃迁上进行Ramsey光谱，我们证明了核自旋相干性，对比度衰减时间>1 s。$^9\text{Be}^+$通过$^{40}\text{Ca}^+$的库仑晶体进行共振冷却，从而使$^9\text{Be}^+$照明最小化，从而减轻无功损耗。介绍了一种独特的$^{40}\text{Ca}^+$高磁场光学探测方案，在不使用729 nm倾斜激光的情况下实现了自旋态的读出。我们记录了一个分数陷阱磁场不稳定性低于20 ppb（<13 nT），在43秒的平均时间没有磁屏蔽，只有被动热隔离。我们讨论了这种紧凑的，可重构的潘宁陷阱的潜在应用。
2021-10-06 physics.atom-ph quant-ph
Design of a Unique Open-Geometry Cylindrical Penning Trap
德克萨斯A & M大学的Penning阱设施是一个即将推出的离子阱，将用于搜索T = 2超允许$β$延迟质子衰变中可能的标量电流，如果找到，将是物理学超越标准模型的指示。此外，TAMUTRAP将为回旋加速器研究所的各种其他应用提供低能点状离子源。该实验是围绕一个独特的，补偿的圆柱形潘宁陷阱，采用了特别优化的$\mathrm{length}/\mathrm{radius}$比的电极结构，不使用任何其他设施。这允许几何形状展现出前所未有的90 mm自由半径，其大于任何现有捕集器，同时保持易于处理的总长度。阱的几何形状是根据第一原理设计的，适用于广泛的核物理实验。特别地，电极结构是"可调谐的"和"正交化的"，这允许在阱中心处的近四极电场，这是执行精确质量测量所必需的特征。
2012-10-31 nucl-ex physics.atom-ph
139 GHz UV phase-locked Raman laser system for thermometry and sideband cooling of $^9$Be$^+$ ions in a Penning trap
我们演示了两个紫外激光源的相位锁定的基本红外激光调制的第四阶边带使用电光调制器和相位锁定的一个边带的第二个基本红外激光。随后的和频产生和二次谐波产生成功地将频率偏移转换到紫外域。在139 GHz的相位锁定确认通过受激拉曼跃迁测温的$^9$的$^+$离子限制在低温潘宁陷阱。该技术可用于单$^9$ Be $^+$离子的边带冷却以及Penning阱中的共振冷却方案和基于量子逻辑的测量。
2021-10-18 physics.atom-ph quant-ph
Resolved-sideband laser cooling in a Penning trap
本文报道了用激光冷却单个$^{40}\text{Ca}^+$离子到一维运动基态的实验。冷却在729 nm电四极$S_{1/2}\leftrightarrow D_{5/2}$跃迁的强结合极限下进行，通过耦合$D_{5/2}$和$P_{3/2}$能级的淬灭激光器加宽。我们发现最终的基态占据是$98\pm1\%$。我们用$\dot{\bar{n}}\approx 0.3\pm0.2\textrm{s}^{-1}$测量陷阱的加热速率，对于来自$150-400\textrm{kHz}$的陷阱频率，与大的离子电极距离一致。
2016-03-01 physics.atom-ph quant-ph
Experimental Access to Observing Decay from Extremely Long-Lived Metastable Electronic States via Penning Trap Spectrometry
本研究提出一种基于Penning阱单离子质谱的顺序脉冲与相位测量方案，用于直接观测高电荷离子中亚稳电子态的衰变过程，以测量超过秒级的超长寿命，并通过MCDHF理论计算验证了其可行性。
2023-10-20 physics.atom-ph
Penning collisions of laser-cooled metastable helium atoms
给出了亚稳态氦原子磁光阱中两体损失率的实验结果。通过监测陷阱荧光的衰减，以系统的方式测量范围从-5到-30 MHz和不同强度的几种激光失谐的绝对速率。研究了两体损失率系数$β$对激发态（$2^3P_2$）和亚稳态（$2^3S_1$）粒子数的依赖关系.从这些结果我们推断出一个相当均匀的速率常数$K_{sp}=(1{\pm}0.4)\times10^{-7}$ cm $^3$ /s。
2001-03-20 physics.atom-ph
Stochastic dynamics of an electron in a Penning trap: phase flips correlated with amplitude collapses and revivals
研究了参数共振条件下噪声对潘宁阱中电子轴模的影响。我们的方法，平均技术的动态描述的应用程序的基础上，提供了在最近的实验中检测到的随机相位翻转的理解。解释了所观察到的相位跳跃和振幅崩塌之间的相关性。此外，我们讨论了噪声颜色的实际相关性，以确定相位切换机制。我们的方法，然后推广到分析的持久性的随机相位翻转的动态云的N电子。特别是，我们的特点检测缩放的相位跳跃率与电子的数量。
2011-06-23 cond-mat.stat-mech physics.atom-ph
Resolved-sideband cooling of a single $^9$Be$^+$ ion in a Penning trap
本研究在潘宁阱中利用双光子受激拉曼过程实现单个$^9$Be$^+$离子的分辨边带冷却，达到平均声子数0.10(4)，为量子逻辑光谱学和精密测量奠定基础。
2023-11-12 physics.atom-ph quant-ph
First Use of High Charge States for Mass Measurements of Short-lived Nuclides in a Penning Trap
潘宁阱质量测量的短寿命核素已经进行了第一次与高电荷离子（HCI），使用TITAN设施在TRIUMF。与单电荷离子相比，这提供了与电荷状态q成比例的实验精度的改进。在注入潘宁阱之前，在电子束离子阱中将缺中子Rb同位素电荷增殖到q = 8 - 12+。与Ramsey激发方案相结合，这种独特的设置在放射性核束设施中产生低能量、高电荷离子，为无与伦比的精度打开了大门，增益为1-2个数量级。该方法特别适用于短寿命核素，如超允许β发射体74 Rb（T1/2 = 65 ms）。给出了其原子质量的测定方法和改进的QEC值。
2011-09-15 nucl-ex physics.atom-ph
A Digital Feedback System for Advanced Ion Manipulation Techniques in Penning Traps
证明了在潘宁阱中使用全数字系统对单个离子施加主动反馈的可能性。以前实现的反馈系统依赖于易受环境波动和长期漂移影响的模拟电路，并且受限于它们被设计用于的特定任务。所提出的系统使用基于FPGA的平台（STEMlab）实现，提供更大的灵活性，更高的时间稳定性和高度动态变化的反馈参数的可能性。通过将反馈应用于主要由谐振电路组成的离子检测系统，证明了系统的能力。这允许其谐振频率的偏移高达几kHz，并且其品质因数在两个数量级内自由修改，这将单个离子的温度降低了6倍。此外，一个相敏检测技术的轴向离子振荡的实施，减少了两个数量级的电流测量时间，同时消除模型相关的系统不确定性。使用FPGA技术可以实现功能齐全的数据采集系统，从而可以实现需要持续监测离子信号的反馈技术。这被成功地用于实现单离子自激振荡器。
2021-10-04 physics.atom-ph
First principle simulation of ultra-cold ion crystals in a Penning trap with Doppler cooling and a rotating wall potential
本文对旋转壁潘宁阱中多离子相互作用进行了直接数值模拟。离子动力学模型的经典。轴向和平面多普勒激光冷却模型使用随机动量脉冲的基础上两个层次的原子散射率。被模拟的等离子体是由100个离子组成的超冷二维晶体。我们比较多普勒冷却的结果直接到以前的线性本征模分析。在频率和模式结构的协议。此外，当应用多普勒激光冷却时，激光冷却的稳态等离子体轴向温度符合多普勒冷却极限。使用这里描述和基准的方法的数值模拟将提供对大型捕获离子晶体的动力学的见解，提高它们作为量子模拟和传感平台的性能。
2019-03-25 physics.atom-ph physics.plasm-ph
High-Harmonicity Planar Penning Traps for Single-Electron Qubits
Indian Institute of Technology Delhi（德里印度理工学院）；Inter-University Accelerator Centre（大学间加速器中心）；GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung（德国重离子研究中心）
该研究针对量子信息处理中单电子量子比特的应用需求，通过解析处理有限电极间隙问题，优化了平面彭宁陷阱的几何结构与电极电压，以最小化非谐波性，相关结果与有限元模拟相符。
2026-08-19 physics.atom-ph quant-ph
Gravitational effects on geonium and free electron $\mathrm{g}_s$-factor measurements in a Penning trap
我们提出了一个由潘宁陷阱，也被称为geonium，这是受重力影响的电子限制的理论分析。特别是，我们调查的电子动力学和电磁场的陷阱引力的影响。我们考虑一个均匀的引力场的特殊情况，这是由林德勒时空。在这个时空中，构造了具有反常磁矩的电子的哈密顿量。基于该哈密顿量和Rindler时空中Penning阱场的麦克斯韦方程组的精确解，我们导出了在相对论修正$1/\mathrm{c}^2$下Geonium的跃迁能.这些跃迁能被用来得到由L. S. Brown和G. Gabrielse [Rev. Mod. Phys. 58，233 1986]。
2019-09-23 gr-qc physics.atom-ph quant-ph
Cryogenic Penning-Trap Apparatus for Precision Experiments with Sympathetically Cooled (anti)protons
目前用单个（反）质子来测试CPT对称性的精密实验进展很快，但由于需要将粒子冷却到亚热能而变得复杂。我们描述了一个低温潘宁陷阱设置为$^9$是$^+$离子的设计，允许耦合的单（反）质子的激光冷却的原子离子的交感冷却和量子逻辑光谱。我们报告捕获和激光冷却的云和单个$^9$的$^+$离子。我们讨论了一个微型陷阱的前景，允许耦合的单（反）质子的激光冷却$^9$是$^+$离子的同情激光冷却，以亚毫K温度毫秒的时间尺度。
2021-07-18 physics.atom-ph quant-ph
Sideband cooling of the radial modes of motion of a single ion in a Penning trap
多普勒和边带冷却是长期存在的技术，它们一起用于制备处于运动基态的被捕获原子离子。在本文中，我们研究如何将这些技术可以扩展到冷却的单个离子在潘宁阱的径向运动模式。我们用数值方法研究了在外加振荡电场以共振耦合径向模的情况下有效多普勒冷却的必要实验参数。模拟支持的实验数据为一个单一的$^{40}$钙$^+$离子多普勒冷却到$\sim$ 100声子在两种模式下的磁控管频率为52 kHz和修改后的回旋频率为677 kHz。对于这些频率，我们然后表明，平均声子数$0.35(5)$的修改后的回旋加速器和$1.7(2)$的磁控管运动后，68毫秒的边带冷却。
2019-07-04 physics.atom-ph quant-ph
Localized control of large ion crystals in a Penning trap using a spatial light modulator
National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
研究利用空间光调制器对彭宁阱中大离子晶体进行局部控制，通过施加可编程交流斯塔克位移图案实现，验证了该技术并为彭宁阱中单个离子寻址提供途径。
2026-07-13 physics.atom-ph quant-ph
Full Single-Quantum Control of Particles in Penning Traps for Symmetry Tests at the Quantum Limit
Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学）；TU Braunschweig（布伦瑞克工业大学）；Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫海因里希·海涅大学）；RIKEN（理化学研究所）；Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）；Universidad de Cádiz（加的斯大学）
BASE合作组通过在Penning陷阱中实现全单量子控制，推动(反)质子g因子测量向量子极限发展，以测试CPT对称性并探索超出标准模型的物理。
2026-02-26 physics.atom-ph quant-ph
