通过无液氦超导磁体彭宁阱中的单离子荧光实现回旋频率稳定性
Cyclotron-Frequency Stability via Single-Ion Fluorescence in a Penning Trap with a Cryogen-Free Superconducting Magnet
- Universidad de Granada（格拉纳达大学）
- Johannes Gutenberg-Universität Mainz（约翰内斯·古腾堡美因茨大学）
- Helmholtz-Institut Mainz（美因茨亥姆霍兹研究所）
- GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH（GSI重离子研究中心有限公司）
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AI总结：
本研究利用两种光子探测技术测量单钙离子回旋频率，评估无液氦超导磁体彭宁阱的磁场稳定性，测得长期漂移与液氦系统相当，短期波动达5e-8，并实现秒级频率测量。
AI中文摘要：
在本工作中，我们通过测量单个激光冷却钙离子的回旋频率，研究了采用无液氦超导磁体运行的彭宁阱的磁场稳定性。我们使用了两种互补的基于光子的探测技术：一种用于确定离子三个本征频率的脉冲光学方法，以及荧光探测傅里叶变换离子回旋共振（FD-FT-ICR）技术。对于前一种技术，我们重新审视了数据分析流程，将其视为测量不确定度的主要贡献来源，并得到了长期磁场漂移 $(1/B)(dB/dt) = -3.07(32)\times10^{-9}$ $\text{h}^{-1}$。该值与使用液氦基超导磁体的高精度彭宁阱实验所报道的值相当。我们使用FD-FT-ICR技术研究了短期稳定性，在30至60秒的平均时间内，得到了最小相对磁场变化 $\delta B/B \simeq 5\times10^{-8}$。此外，该技术能够在短至几秒的时间尺度上直接确定回旋频率，从而能够获取在传统彭宁阱实验中通常无法分辨的磁场波动。
英文摘要：
In this work, we investigate the magnetic-field stability of a Penning trap operated with a cryogen-free superconducting magnet through cyclotron-frequency measurements of a single laser-cooled calcium ion using two complementary photon-based detection techniques: a pulsed optical method for determining the three ion eigenfrequencies and Fluorescence-Detected Fourier-Transform Ion-Cyclotron-Resonance (FD-FT-ICR). For the former technique, the data-analysis procedure was revisited, considering it as the dominant contribution to the measurement uncertainty and yielding a long-term magnetic-field drift $(1/B)(dB/dt) = -3.07(32)\times10^{-9}$ $\mathrm{h}^{-1}$. This value is comparable to those reported for high-precision Penning-trap experiments employing liquid-helium-based superconducting magnets. The short-term stability was investigated using the FD-FT-ICR technique, resulting in a minimum relative magnetic-field variation of $δB/B \simeq 5\times10^{-8}$ for averaging times between 30 and 60 s. Furthermore, this technique enables direct cyclotron-frequency determinations on timescales as short as a few seconds, providing access to magnetic-field fluctuations that are generally not resolved in conventional Penning-trap experiments.
