基于永磁体的低温彭宁阱

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我们报道了一种基于钕铁硼永磁体的彭宁阱，该阱在4 K温度下运行，磁场强度为280 mT。我们演示了质子、H$_2^+$离子和电子的可靠装载与约束，并利用超导镜像电流电路实现了对质子和H$_2^+$离子的非破坏性单粒子探测灵敏度。单个粒子的轴向频率达到47十亿分之一的逐次稳定性，与最先进的精密彭宁阱实验相当。对质子修正回旋频率的测量显示逐次散射为0.14百万分之一（p.p.m.），目前受限于永磁体组件毫开尔文级别的温度波动。我们概述了一条将这一性能提升一个数量级以上的途径。这一发展在轴向模式相关的精密测量和成本高效的彭宁阱实验中具有广泛潜力，并代表着向紧凑、可扩展和可运输的反质子阱系统迈出的重要一步。

英文摘要

We report on a Penning trap based on NdFeB permanent magnets operated at 4\,K with a magnetic field strength of 280\,mT. Reliable loading and confinement of protons, H$_2^+$ ions, and electrons was demonstrated with non-destructive single-particle detection sensitivity of protons and H$_2^+$ ions using superconducting image-current circuits. The axial frequency of individual particles reaches a shot-to-shot stability of 47 parts-per-billion comparable to that of state-of-the-art precision Penning-trap experiments. Measurements of the proton modified-cyclotron frequency show a shot-to-shot scatter of $0.14$ parts per million (p.p.m.), presently limited by millikelvin-level temperature fluctuations of the permanent-magnet assembly. We outline a route towards improving this performance by more than an order of magnitude. This development offers broad potential for axial-mode-related precision measurements and cost-efficient Penning-trap experiments, and represents an important step towards compact, scalable, and transportable antiproton-trap systems.

发表机构

• 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）

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