Observation of Cold Collisions between Trapped Ions and Trapped Atoms
我们展示了一个双阱系统，非常适合于研究被困离子和被困原子之间的冷碰撞。使用Yb $^+$离子被限制在一个保罗陷阱和Yb原子的磁光阱，我们研究了几种同位素的碰撞能量下降到400 neV（5 mK）的电荷交换碰撞。在原子极化率为143 a. u时，测量的$6 \times 10^{-10}$ cm $^{3}$ s $^{-1}$的速率系数在碰撞能量的四个数量级上是常数，与半经典Langevin模型的结果符合得很好.
2009-02-04 physics.atom-ph
Photodissociation of trapped Rb$^+_2$ : Implications for simultaneous trapping of atoms and molecular ions
从理论和实验上研究了$^{85}$ Rb磁光阱（MOT）冷却光对$_2^+$ Rb分子离子的直接光解作用。振动激发的Rb $_{2}^{+}$离子由Rb MOT中光缔合形成的Rb $_{2}$分子的光电离产生，并被捕获在改进的球形Paul阱中。测量了在MOT冷却光存在下被捕获的Rb $_{2}^{+}$离子信号的衰减速率，并观察到与我们计算的分子离子光解离速率一致。由于MOT光的光解离机制预计是活跃的，因此对于所有的homopolymer双原子碱金属分子离子是普遍的。
2016-09-29 physics.atom-ph
Planar electric trap for neutral particles
介绍了一种利用简单电极结构在交流电场中捕获中性粒子的新几何结构。在这种几何结构中，所有电极都放置在单个芯片平面上，而颗粒悬浮在芯片上方。这提供了阱的简单构造和对阱的良好光学访问。
2009-03-28 physics.atom-ph
Surface trap with dc-tunable ion-electrode distance
我们描述了一种新型的表面电极保罗陷阱的设计，制造和操作，产生沿轴垂直于陷阱表面的射频零。这种布置使得能够仅经由直流电极来控制垂直捕获电势并且因此控制离子-电极距离。我们证明了在平面铜涂层铝电极上方的$50~μ$ m和$300~μ$ m之间的高度处的单个$^{40}$ Ca $^+$离子的限制。我们调查在垂直方向的微动，并显示冷却的平面和垂直运动模式到基态。这种陷阱架构提供了一个平台，用于精确的电场噪声检测，捕获垂直的离子串，而没有过多的微动，并可能有可扩展的量子计算机与表面离子阱的应用。
2018-07-16 physics.atom-ph quant-ph
Microwave control electrodes for scalable, parallel, single-qubit operations in a surface-electrode ion trap
我们提出了一个表面离子阱设计，结合微波控制电极的近场单量子比特控制。电极被布置成在一个阱区中提供微波场的任意频率、振幅和偏振控制，而类似的一组电极用于使相邻区中的残余微波场为零。选择几何形状以将残余场减少到0.5%水平而不使场归零;对于实际微波幅度和相位漂移，通过归零，串扰可以保持接近0.01%水平。使用标准的光刻和电镀技术，我们已经制作了一个证明的原则电极阵列与两个捕获区。我们讨论的微波驱动系统的要求和前景的可扩展性，一个大的二维陷阱阵列。
2013-10-14 physics.atom-ph quant-ph
Half-open Penning trap with efficient light collection for precision laser spectroscopy of highly charged ions
我们已经构思，建造和操作的“半开放”的圆柱形潘宁陷阱的约束和高电荷离子的激光光谱。这种陷阱允许荧光检测采用立体角，这是约一个数量级大于传统的圆柱形潘宁陷阱。在同一时间，所需的静电和静磁性能的封闭端盖的圆柱形潘宁陷阱保存在此重新封装。我们给出了一个详细的帐户上的设计和限制属性，一个表征的陷阱，并显示第一个结果的光收集与陷阱产生的高度带电的离子。
2014-02-27 physics.atom-ph
Radiofrequency multipole traps: Tools for spectroscopy and dynamics of cold molecular ions
多极射频离子阱是一种在可控环境中研究分子离子及其相互作用的通用工具。特别是低温22极离子阱配置用于研究离子分子反应和复杂的分子光谱在几个开尔文和室温之间的温度。本文介绍了一个教程射频离子捕获多极电极配置。稳定的捕获条件和缓冲气体冷却，以及重要的加热机制，进行了讨论。此外，选定的实验研究阳离子和阴离子分子反应和光谱的捕获离子进行审查。从这些研究出发，展望了多极离子阱的研究前景。
2009-03-15 physics.atom-ph
Instability Heating of Sympathetically-Cooled Ions in a Linear Paul Trap
利用计算和理论方法研究了储存在线性几何结构、射频电四极阱中离子的交感激光冷却。该模拟允许5个样品离子与35个激光冷却的原子离子相互作用，揭示了一种不稳定的加热机制，该机制可以防止低于一定临界质量的离子被同情冷却。然而，该临界质量可以通过改变捕获场参数来改变，从而允许具有非常大的质量范围的离子使用单个离子种类被同情地冷却。这种不稳定性的加热机制的理论解释，提出预测的冷却-加热边界的捕获参数空间是一条线的恒定$q_u$（离子阱稳定性系数），一个结果支持的计算结果。$q_u$的阈值取决于相互作用离子的质量。给出了这种依赖关系的函数形式。
2002-08-19 physics.atom-ph
Optimal electrode geometries for 2-dimensional ion arrays with bi-layer ion traps
我们调查电极的几何形状需要产生周期性的2维离子阱阵列与放置在两个平面之间的电极的离子。我们提出了一个概括的陷阱包含一个单一的电极平面到这个新的几何形状，并表明，对于一个给定的离子电极距离和施加的电压，离子间的距离可以减少到3个相对于单平面陷阱的一个因素。这表示阱密度增加了9倍，相邻离子的振荡运动之间的交换耦合增加了27倍。所得的陷阱也是相当深的双层结构比单面陷阱。这些结果为量子模拟提供了一条有效的途径。我们还讨论了制造此类陷阱的问题。
2014-11-04 physics.atom-ph quant-ph
Ion-trap electrode preparation with Ne$^+$ bombardment
我们描述了一种非原位表面清洁程序，该程序被证明可以减少离子阱电极的运动加热。在离子阱的最终组装和真空处理之前立即实施的这种预清洁处理去除了电极制造过程之后残留的表面污染物。我们采用了多角度离子轰击处理，旨在清洁电极表面和电极间的间隙的微制造陷阱。此过程有助于最大限度地减少可能导致电气短路的电极之间间隙中的再沉积。我们报告的加热速率在以这种方式制备的针型离子阱是低一个数量级相比，类似的未经处理的针型陷阱使用相同的实验设置。
2014-06-06 physics.atom-ph quant-ph
A System for Trapping Barium Ions in a Microfabricated Surface Trap
我们研制了一种用于微加工表面离子阱快速测试的真空室和控制系统。我们的系统采用模块化设计，基于带集成滤波器的真空印刷电路板。我们已经使用这个系统成功地捕获和冷却钡离子，并已实现离子的“暗”寿命为31.6秒+- 3.4秒的离子控制穿梭。我们提供了一个离子阱系统的详细描述，包括在真空中使用的材料，控制电子和中性原子源。我们讨论的挑战，实现一个系统，可以可靠地工作超过两年的操作中，在测试中的陷阱被改变了至少10次。
2013-12-31 physics.atom-ph
Laser cooling of trapped ytterbium ions with an ultraviolet diode laser
我们展示了一个紫外二极管激光系统的冷却被困镱离子。激光功率和线宽与以前的基于谐振倍频的系统相当，但该系统更简单，更鲁棒，更便宜。我们使用激光系统来冷却限制在线性保罗陷阱中的少量镱离子。从观测到的光谱，我们推断最终温度< 270 mK。
2005-11-29 physics.atom-ph
A surface electrode point Paul trap
我们提出了一个模型以及实验结果的表面电极射频保罗陷阱，具有圆形电极的几何形状非常适合于捕获的单离子和二维平面离子晶体。陷阱设计与微加工兼容，并提供了一种简单的方法，通过该方法可以改变表面上方被捕获离子的高度\emph{in situ}。我们证明捕获的单个和几个Sr+离子的离子高度范围为200-1000微米的多普勒激光冷却下几个小时，并使用这些来表征陷阱，发现与我们的模型很好的协议。
2010-08-09 physics.atom-ph quant-ph
Evidence of sympathetic cooling of Na+ ions by a Na MOT in a hybrid trap
离子-中性粒子混合阱是研究离子与中性粒子碰撞动力学的理想系统。该系统提供了一种通用的冷却方法，可以应用于光学不可接近的物种，也可以潜在地冷却内部自由度。离子和中性粒子之间的长程极化势（$V\propto-α/r^4$）导致低温下大的散射截面，使得混合阱成为通过与中性原子碰撞实现离子有效共振冷却的有利系统。我们目前的实验证据的交感冷却的混合陷阱的\ce{Na+}离子，这是封闭的壳层，因此没有激光诱导的原子跃迁，由等质量的冷钠原子的磁光阱（MOT）。
2013-01-08 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
Versatile surface ion trap for effective cooling and large-scale trapping of ions
表面离子阱中离子的尺度放大和有效冷却是量子计算和囚禁离子量子模拟的核心挑战。在这项理论研究中，我们提出了一个通用的表面离子阱。在我们的陷阱的操作区，一个对称的七线几何形状，使两个平行的线性离子链，这有利于沿所有的原则陷阱轴的离子冷却固有的主轴旋转。为了减轻离子加载过程中对操作区的污染，设计了对称的五线几何结构作为加载区。一个“叉形接头”连接着装载区和操作区，这也使得离子能够穿梭和重新排序。一个多目标的优化程序，适合于任意结设计的详细说明，我们提出了相应的优化结果，我们的陷阱的关键组成部分。所提出的多功能阱可用于构建大规模离子量子处理器。该阱还可用作多离子混合器或有效的离子分束器，在量子模拟和量子计算、二维离子晶体的研究以及量子显微镜的波导等方面有潜在的应用前景，如用于量子物质波光学实验的电子分束器。有趣的话题涉及两个离子链之间的自旋-自旋相互作用也可以在我们的陷阱模拟。
2019-09-02 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
Ablation loading of barium ions into a surface electrode trap
本文研究激光烧蚀离子装载进入不同尺寸表面电极阱，通过解析模型预测装载概率，并在730微米和50微米离子-电极距离的低温阱中成功装载钡离子，验证了模型，为限量同位素在量子信息处理中的应用提供指导。
2023-03-03 physics.atom-ph quant-ph
Perspectives on testing fundamental physics with highly charged ions in Penning traps
在潘宁陷阱中，电磁力被用来在良好控制的条件下将带电粒子限制在几乎无限的时间内。已经开发出灵敏的检测方法以允许观察单个存储离子。可以采用各种冷却方法来将捕获粒子的能量降低到接近静止。在这篇综述中，我们总结了如何高度带电的离子提供了独特的可能性，精密测量潘宁陷阱。精确的原子和核质量以及束缚电子的磁矩允许确定基本常数，如电子的质量，或者对基本相互作用进行严格的测试，如束缚态量子电动力学。高精度潘宁阱光谱与高电荷离子的最新结果和未来的前景将进行讨论。
2022-03-15 physics.atom-ph
vdW-corrected density functional study of electric field noise heating in ion traps caused by electrode surface adsorbates
为了实现离子阱量子计算机的全部潜力，需要更好地理解被捕获离子经历的运动加热。实验研究的温度，频率，和离子-电极距离依赖性的电场噪声负责运动加热，以及噪声之前和之后的离子轰击清洁的陷阱电极，表明吸附质偶极子的波动是一个可能的来源，所谓的“异常加热”，或运动加热的捕获的离子在一个比约翰逊噪声限制高得多的速率。先前的计算研究已经调查了模型吸附质偶极子的波动如何影响异常加热。然而，具体的吸附物影响的电场噪声的方式尚未被检查，在以前的研究中采用的电偶极子模型是准确的可能的吸附物的一小部分。在这里，我们分析了15个吸附质-电极组合在独立的波动偶极子模型内的面内和面外振动模式的行为，利用精确的第一性原理计算方法来确定表面诱导的偶极矩。我们发现吸附质的化学特性可以改变电场噪声的7个数量级，特别是软平面模式的弱吸附烃产生最大的噪声和离子加热。我们讨论了动态捕获的波动偶极模型，即吸附依赖的开启温度和电场噪声幅度，也讨论了该模型的失败再现测量的1/ $ω$噪声频率标度与一个单一的吸附物种。我们建议未来的研究方向，改进，定量预测模型的基础上扩展本框架的多个相互作用的吸附物。
2019-04-11 physics.atom-ph
Heating rate measurement and characterization of a prototype surface-electrode trap for optical frequency metrology
我们提出了一个原型表面电极（SE）陷阱的表征，作为实现一个紧凑的，单离子光学时钟的基础上Yb $^+$的第一步。SE阱的使用将是受益于洁净室制造技术和量子信息处理领域的技术进步的关键因素。我们成功地证明了在500 $μ$ m的电极距离捕获，其特征在于我们的陷阱的寿命和加热速率。据我们所知，这是SE阱中加热速率测量所达到的最高距离。用简单材料实现的这种简单的5线设计产生$\mathbf{8\times 10^3}$声子/s的加热速率。我们提供了一个分析的性能，这种原型陷阱的光频率计量。
2022-06-16 physics.atom-ph quant-ph
Experimental demonstration of a surface-electrode multipole ion trap
我们报告的设计和实验表征的表面电极多极离子阱。单个微观糖颗粒被限制在陷阱中。驱动粒子运动的轨迹与理论模型进行比较，既验证定性预测的模型，并测量的荷质比的约束粒子。观察到的驱动频率的谐波的产生作为陷阱的非线性性质的关键签名。我们评论我们的陷阱，包括质谱可能的应用。
2015-07-17 physics.atom-ph physics.ins-det
Effects of electrode surface roughness on motional heating of trapped ions
电场噪声是囚禁离子量子计算中运动加热的主要来源。虽然已经在贴片电势和表面吸附物模型中研究了阱电极几何形状对电场噪声的影响，但是电流理论仅考虑光滑表面。粗糙度的影响，表面电极的一个普遍存在的功能，知之甚少。我们研究它的影响电场噪声推导出一个粗糙的表面格林函数和评估其对吸附物表面结合能的影响。在低温下，加热速率的贡献，从吸附物预测表现出指数的敏感性，局部表面曲率，导致一个大的净增强或抑制光滑表面。对于典型的实验参数，总加热速率的数量级变化可以发生依赖于吸收的空间分布。通过仔细设计电极表面轮廓，我们的研究结果表明，加热速率可以调整的数量级。
2016-05-09 physics.atom-ph quant-ph
Single qubit manipulation in a microfabricated surface electrode ion trap
我们在硅衬底上微制造的表面陷阱中捕获单个$^{171}$ Yb $^+$离子，并展示了一套完整的高保真单量子比特操作的超精细量子比特。在没有激光冷却的情况下超过20分钟的捕获时间和低至0.8（0.1）量子/ms的加热速率表明这些微阱中的稳定捕获条件。实验结果表明，相干时间超过1秒，量子比特状态检测精度高，单量子比特旋转。
2013-08-09 physics.atom-ph quant-ph
Reliable transport through a microfabricated X-junction surface-electrode ion trap
我们报告的设计，制造和表征的微加工表面电极离子阱，支持受控运输通过二维交叉的线性捕获区排列在一个九十度的十字架。该陷阱是用超大规模集成电路（VLSI）技术制造的，该技术与缩放到更大的量子信息处理器兼容。的射频（RF）电极的形状进行了优化与遗传算法，以最大限度地减少轴向赝势垒，并尽量减少在运输过程中的离子加热。78个独立的直流控制电极可以对捕获电位进行精细控制。我们证明了可靠的离子传输之间的连接腿，捕获的离子链几乎相等的间距在一个陷阱的线性部分，并合并和分裂离子从这些链。多普勒冷却的离子在没有损耗的情况下在结腿之间往返超过10^5次，在没有激光冷却的情况下连续往返超过65次。
2013-02-25 physics.atom-ph quant-ph
Distance scaling of electric-field noise in a surface-electrode ion trap
我们研究了反常离子运动加热，限制多量子位量子逻辑门保真度在捕获离子系统，作为离子电极分离的函数。使用一个多区表面电极陷阱，其中离子可以在五个离散的距离，从金属电极，我们测量的电场的离子上的离子电极距离$d$所经历的噪声的幂律依赖性。我们发现一个缩放约$d^{-4}$，无论电极是在室温或低温下，尽管事实上，加热速率约两个数量级小，在后一种情况下。通过将噪声应用于电极的辅助测量，我们排除了测量的加热速率和缩放的技术限制。我们还测量频率缩放的固有电场噪声接近$1/f$在这两个温度。这些测量排除了考虑不具有$d^{-4}$距离依赖性的非稳态加热模型，包括当前感兴趣的几个微观模型。
2017-12-01 physics.atom-ph quant-ph
TSV-integrated Surface Electrode Ion Trap for Scalable Quantum Information Processing
在这项研究中，我们报告了第一个铜填充通过硅通孔（TSV）集成离子阱。TSV直接放置在电极下方，作为离子阱和玻璃中介层之间的垂直互连，促进了随着电极数量的增加和复杂性的演变而进行的任意几何设计。TSV的集成将离子阱的形状因子降低了80%以上，使寄生电容从32 pF降至3 pF。尽管没有接地屏蔽层，但仍实现了低RF耗散。整个制造过程是在12英寸晶圆上进行的，并与已建立的CMOS后端工艺兼容。我们证明了装载和激光冷却单88 Sr+离子的陷阱的基本功能。它被发现，这两个加热速率（17量子/毫秒的轴向频率为300 kHz）和寿命（~30分钟）是类似尺寸的陷阱相媲美。这项工作开创了TSV集成离子阱的发展，丰富了可扩展量子计算的工具箱。
2021-01-04 physics.atom-ph quant-ph
Ideal Multipole Ion Traps from Planar Ring Electrodes
我们提出了一套平面，环形，同心电极，只需要射频电位限制离子的多极离子阱的设计。我们说明了理想的性能的陷阱，考虑几个简单的情况下，限制离子。我们预测，毫米级的表面陷阱可能有陷阱深度高达几十电子伏，或微动幅度低至几十纳米的2-D离子晶体，当一个共同的领域的幅度的参数被选择。几个例子的陷阱进行了研究，和缩放的电压，频率和陷阱规模，对于少量的离子，这些属性的推导。此外，具有非常高的荷质比的离子可以被限制在阱中，并且具有非常不同的荷质比的物质可以同时被限制。这些陷阱的应用包括量子信息科学、频率计量学和冷离子-原子碰撞。
2012-08-21 physics.atom-ph quant-ph
Creation of double-well potentials in a surface-electrode trap towards a nanofriction model emulator
我们展示了一个微制造的表面电极离子阱，可作为纳米摩擦仿真器和相互作用系统的多体动力学的研究。该阱能够在径向方向上实现单阱和双阱捕获势，其中两个势阱之间的距离可以通过施加的RF电压来调节。在双阱结构中，可以形成平行的离子串，这是一个适合于模拟Frenkel-Kontorova（FK）模型的系统。我们推导出的条件下，陷阱功能的FK模型仿真器。阱的设计使得两个离子串之间的库仑相互作用变得显著。我们报道了这种小型陷阱电极的微加工工艺以及用钙离子进行单阱和双阱操作的实验结果。与在这项工作中所展示的陷阱，我们可以创建原子访问，自组装库仑系统的FK模型中的一个广泛的调谐范围内的参数。这使得它成为一个有前途的系统量子模拟，但也为研究纳米摩擦在一维和更高的维系统。
2021-01-02 physics.atom-ph quant-ph
Geometries and fabrication methods for 3D printing ion traps
用于量子信息处理的大多数微制造离子阱是2D“表面电极”类型或3D“晶片”类型。表面电极陷阱极大地简化了制造过程，并有望通过标准的半导体工业制造技术实现捕获离子量子计算机的规模化。然而，与3D几何形状相比，它们的几何形状限制它们具有低得多的捕获效率、深度和谐波。相反，3D几何形状提供了优越的陷阱性能，但制造更复杂，限制了规模的潜力。我们描述了新的“沟槽”的几何形状，存在于这两个范例之间的设计空间。它们仍然允许简单的平面电极层，但具有更有利的捕获特性。我们建议这样的陷阱可以在2D晶片上3D打印，其中已经集成了微加工组件，从而保留了表面电极陷阱的所有集成技术和缩放优势。作为原理的证明，我们使用双光子直接激光写入光刻来印刷具有所提出的几何形状的所需电极结构。
2022-05-31 physics.atom-ph quant-ph
Modular cryostat for ion trapping with surface-electrode ion traps
我们提出了一个简单的低温恒温器的目的与表面电极离子阱使用，设计一个负担得起的，大的冷却功率的商业脉冲管制冷机。具有单个真空空间的模块化真空外壳便于内部访问，并实现快速周转和灵活性，以备将来修改。长矩形窗口在离子阱的平面中提供近360度的光学访问，而阱附近的圆形底部窗口使得能够在不需要真空光学器件的情况下进行NA 0.4光收集。我们评估系统的机械和热特性，我们量化离子捕获性能捕获40 Ca+，发现小杂散电场，长离子寿命，和低离子加热速率。
2013-05-01 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph
A cryogenic surface-electrode elliptical ion trap for quantum simulation
囚禁离子的二维晶体是一个很有前途的系统，它可以用来实现诸如自旋阻挫等具有挑战性的问题的量子模拟。在这里，我们提出了一种设计的表面电极椭圆形离子阱，产生一个2-D的离子晶体，并服从微加工，这将使更高的模拟耦合率，以及相互作用的基础上产生的磁力的芯片上的电流。工作在11 K低温环境中，我们实验验证到5%以内的数值模型的离子晶体的结构中的陷阱。我们还探索了使用磁力实施量子模拟的可能性，并使用1A的电流，对于10微米的离子晶体高度，计算出J耦合率为10^3 / s量级。
2010-08-31 physics.atom-ph quant-ph
Heating and ion transport in a Y-junction surface-electrode trap
我们测量离子加热运输后，整个Y结表面电极离子阱。通过仔细选择的陷阱电压更新率在绝热运输沿陷阱臂，我们观察到最小的加热相对于异常加热背景。通过结的传输导致在轴向方向上每次遍历37和150量子之间的感应加热。为了可靠地测量在这个范围内的加热，我们比较实验边带包络，包括四阶边带，理论模型。边带包络方法使我们能够覆盖一阶边带和多普勒再冷却方法无法达到的中间加热范围。我们的结论是，量子信息处理在这个离子阱将可能需要交感冷却，以支持结传输后的高保真度门。
2014-03-19 physics.atom-ph quant-ph
Implementation of a symmetric surface electrode ion trap with field compensation using a modulated Raman effect
我们描述了一种新的表面电极保罗离子阱设计的实验中可扩展的量子信息处理与Ca+的制造和表征。一个值得注意的特点是一个对称的电极图案，它允许离子运动的正常模式的旋转，产生有效的多普勒冷却与一个单一的光束平行的平面表面。我们提出并实现了一种技术，在所有方向上的微动补偿使用红外再泵浦激光束直接进入陷阱平面。最后，我们采用了一种替代的再泵浦方案，增加离子荧光和简化加热速率测量多普勒冷却过程中获得的时间分辨离子荧光。
2009-11-15 physics.atom-ph quant-ph
Isotope-selective Ion Trapping via Sympathetic Cooling using a Surface-Electrode Trap with a Hole for Collimated Atomic Loading
Graduate School of Engineering Science, Osaka University（大阪大学工学研究科）；Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science, Kyoto University（京都大学辐射核科学综合研究所）；National Institute of Information and Communications Technology（信息通信研究机构）；Center of Quantum Information and Quantum Biology, Osaka University（大阪大学量子信息与量子生物学中心）
通过表面电极陷阱的孔进行协同冷却实现同位素选择性离子捕获，用于高效制备同位素离子对和离子链。
2025-05-08 physics.atom-ph quant-ph
Fast and high-yield fabrication of axially symmetric ion-trap needle electrodes via two step electrochemical etching
尽管在建设先进的微制造离子阱的进展，保罗陷阱采用针电极保留其意义，由于制造的简单性，同时生产高品质的系统，适合于量子信息处理，原子钟等低噪声操作，如尽量减少“多余的微动”，针应该是几何直线和相互精确对齐。先前用于制造离子阱针电极的自终止电化学蚀刻采用敏感且耗时的技术，导致可用电极的成功率低。在这里，我们展示了一种蚀刻技术，用于快速制造直的和对称的针，具有很高的成功率和一个简单的设备，降低了对对准缺陷的敏感性。我们的技术的新颖性来自于使用两步方法，采用湍流蚀刻进行快速成形和缓慢蚀刻/抛光，用于随后的表面抛光和尖端清洁。使用这种技术，离子阱的针电极可以在一天内制造，大大减少了新设备的设置时间。通过这种技术制造的针已被用于我们的离子阱，以实现几个月的捕获寿命。
2022-06-29 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph
Surface-electrode ion trap with integrated light source
在低温（8 K）表面电极离子阱中，原子离子被捕获在单模光纤的尖端。光纤用作激光的集成源，其驱动$^{88}$ Sr $^+$的四极量子位跃迁。通过捕获场的节点的\emph{in situ}平移，光纤输出的高斯光束轮廓被成像，并且以离子处的模腰为单位的光纤-离子位移被优化到模中心的$0.13\pm0.10$内，而不管初始偏移量为$3.30\pm0.10$。观察到在$125 μ$ W处的纤维诱导充电为在$670 μ$ m的离子高度处的${\sim}10$ V/m，其中充电和放电时间常数分别为$1.6\pm0.3$ s和$4.7\pm0.6$ s。这项工作对于大规模的基于离子的量子信息处理具有重要意义，其中表面电极设计中的光学集成可能是一项关键的使能技术。
2011-03-27 physics.atom-ph quant-ph
Loading of a surface-electrode ion trap from a remote, precooled source
我们展示了离子加载到表面电极陷阱（SET）从远程，激光冷却源的中性原子。我们首先将$\sim$ $10^6$中性$^{88}$ Sr原子从与SET没有视线的烘箱中冷却并装入磁光阱中。然后用共振激光将冷原子推入陷阱区，在那里它们随后被光电离并被捕获在4.6 K低温下工作的SET中。我们目前的加载过程的研究表明，我们的技术实现了离子加载到一个浅（15毫电子伏深度）陷阱的速率高达125个离子/秒，同时大大减少了金属沉积在陷阱表面上的量相比，从热蒸汽直接加载。此外，我们注意到，由于在我们的加载过程中的同位素过滤的多个阶段，这种技术具有增强同位素选择性的潜力超过其他加载方法。从干净的、同位素纯的和预冷的源快速加载可以使得能够利用大的、低深度的表面阱阵列中的捕获离子进行可扩展的量子信息处理，所述表面阱阵列不适于从热原子束加载。
2012-07-20 physics.atom-ph quant-ph
Preliminary characterization of a surface electrode Paul trap for frequency metrology
本研究针对频率计量开发171Yb+单离子光学钟用表面电极Paul阱，测试原型阱加热率，推出绝缘体上硅微制造芯片并完成超高真空电学测试，给出合适参数及设计改进路线图。
2024-10-09 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph
Sympathetic and swap cooling of trapped ions by cold atoms in a MOT
一个冷却和捕获的离子和原子的混合系统，为离子辅助冷化学和新颖的多体研究铺平了道路。由于单个俘获机制的不同，被俘获的原子明显比被俘获的离子冷，因此在组合系统中，强的二元离子$-$原子相互作用导致从离子到原子的热流。相反，被捕获的离子也可以被冷原子碰撞加热，使离子和原子之间的平衡变得有趣。在这里，我们的实验表明，铷离子（Rb $^+$）冷却接触磁光捕获（MOT）Rb原子，相反的一般预期的离子加热等离子和原子质量。从理论上解释了冷却机理，并用数值模拟加以验证。共振电荷交换（RCx）碰撞，它允许交换冷却的离子与原子，其中一个单一的掠射碰撞事件带来的快速离子休息的重要性进行了讨论。
2011-12-26 physics.atom-ph quant-ph
Ion traps fabricated in a CMOS foundry
我们证明了在90 nm CMOS（互补金属氧化物半导体）铸造工艺中制造的表面电极离子阱中的捕获，该工艺利用顶部金属层作为陷阱电极。该工艺包括掺杂有源区和金属互连层，允许共同制造标准CMOS电路以及用于光学控制和测量的器件。在互连层之一限定阱电极层和p型掺杂硅衬底之间的接地平面的情况下，离子负载是鲁棒的并且捕获是稳定的。我们测量的运动加热速率与类似大小的表面电极陷阱中所见的加热速率相当。这是第一次展示可扩展的量子计算硬件，在任何模式下，利用商业CMOS工艺，它打开了电子和光子学的集成和共同制造的大门，用于捕获离子阵列中的大规模量子处理。
2014-06-13 physics.atom-ph quant-ph
Surface science motivated by heating of trapped ions from the quantum ground state
在过去的25年里，从附近的电极表面捕获的离子的异常加热继续显示出意想不到的结果。由电场噪声引起的离子运动模式的加热仍然是用捕获离子进行可扩展量子计算的障碍。这种电场噪声的异常特征之一是报告的非单调行为的加热速率时，一个陷阱是逐步清洁离子轰击。出于这个结果，本工作报告的表面分析的样品离子阱电极处理类似的Ar $^+$离子轰击的增量剂量。开尔文探针力显微镜和X-射线光电子能谱学被用来研究如何在电极表面上的功函数变化取决于每个处理之间的残留污染物覆盖。结果表明，所制造的Au电极覆盖有烃膜，该烃膜在第一次处理后被改性，从而导致类似于Au上的原子状碳的功函数和核能级结合能。每个治疗的功函数的空间分布的变化，结合所建议的现象学的覆盖面和表面电位粗糙度依赖于加热，似乎与先前报道的非单调行为。
2021-10-03 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Catching, trapping and in-situ-identification of thorium ions inside Coulomb crystals of $^{40}$Ca$^+$ ions
钍离子表现出独特的核特性，与测试自然界的对称性高度相关，保罗陷阱是进行高精度量子逻辑光谱学的理想实验平台。稳定或长寿命同位素的装载是公认的，并且依赖于来自原子束的电离。一种不同的方法可以捕获作为α衰变子体的短寿命同位素，这些子体从前体核素的薄样品中反冲。一个突出的例子是短寿命的$^{229\text{m}}$ Th，其在长寿命的$^{233}$ U的衰变中占据。在此，离子由外部源提供并且被减速以可用于捕获。这样的设置提供了捕获钍的各种同位素和电荷状态的选择。调查这一复杂的过程中，我们证明了观察到的单一$^{232}$ Th $^+$离子捕获，嵌入并通过库仑相互作用共捕获$^{40}$钙$^+$离子的同情冷却。此外，我们讨论了不同的选择，用于非破坏性识别的同情冷却的钍离子在陷阱中，并详细描述了我们选择的实验方法，确定质量和电荷的钍离子的钙离子的位置，因为它们的荧光成像在CCD相机上。当从Paul阱中提取不同质荷比的离子并将其引导到检测器中时，通过飞行时间信号来验证这些发现。
2019-04-23 physics.atom-ph quant-ph
Phoenix and Peregrine Ion Traps
Phoenix和Peregrine离子阱是基于硅技术的微型表面电极离子阱。两者都是线性陷阱，使用对称的6轨设计，具有分段的内部和外部控制电极。陷阱是在Sandia的高光学访问（HOA）平台上制造的，以提供良好的光学访问掠过陷阱表面。它们采用2.54 mm间距的定制陶瓷引脚或焊盘栅格阵列封装。Peregrine陷阱是一种表面陷阱，所有电极都在一个平面上。Phoenix阱具有相同的布局，但是具有中央贯穿衬底的槽，并且其内部控制电极处于较低的金属水平。这两个陷阱都提供了测量衬底温度的手段，并通过集成的铝和钨丝加热器件。
2020-09-04 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
Cold molecular ions on a chip
我们报道了离子阱芯片表面上分子离子的感应冷却和库仑结晶。N $_2^+$和CaH $^+$离子被限制在表面电极射频离子阱中，并通过与激光冷却的Ca $^{+}$离子的相互作用冷却到毫开尔文范围内的长期平移温度。由表面电极产生的捕获电势的配置使得能够形成平面双组分库仑晶体和分子从芯片上的原子离子的空间分离。利用分子动力学模拟对库仑晶体的结构和热性能进行了表征。本研究将基于芯片的捕获技术扩展到库仑结晶分子离子，在质谱、冷化学、量子信息科学和光谱学中具有潜在的应用。
2014-04-16 physics.atom-ph physics.chem-ph
Theoretical and Numerical studies of the positions of cold trapped ions
我们研究了线性晶体结构中的Paul阱所限制的冷离子的性质，由于其在实际量子计算中的应用，该系统具有相当大的电流兴趣。采用理论和数值计算相结合的方法，导出了离子位置的半经验公式。
1997-11-24 physics.atom-ph physics.optics
Sympathetic cooling of $^4$He$^+$ ions in a radiofrequency trap
我们在线性射频阱中，通过激光冷却$^9$ Be $^+$的感应冷却，制备了超冷$^4$ He $^+$离子的库仑晶体。获得了在$\sim$ 20 mK下含有多达150个局部He $^+$离子的稳定晶体。系综或单个超冷He $^+$离子为进行QED的精确测试和核半径的测量开辟了有趣的前景。本工作还表明了用$^9$ Be $^+$作为冷却剂冷却和结晶高电荷原子离子的可行性。
2004-12-09 physics.atom-ph physics.plasm-ph
Quantum control of the motional states of trapped ions through fast switching of trapping potentials
我们提出了一种新的方案，用于提供电压的电极的微离子阱，使访问的制度，其中的捕获电位的变化的时间尺度上比被困离子的长期振荡频率的周期短得多。这为加速分段离子阱中的离子传输开辟了可能性，并且还提供了比它们之间的库仑相互作用更快地控制串中的多个离子的途径。我们使用这些方法在表面电极阱中进行离子输运的理论研究，表征了一些重要控制参数所需的精度。我们还讨论了利用这些技术产生运动态压缩的可能性和局限性，这可以作为研究高斯态纠缠的基础。
2012-12-21 physics.atom-ph quant-ph
Hybrid Trapping of $^{87}$Rb Atoms and Yb$^{+}$ Ions in a Chip-Based Experimental Setup
将激光冷却的囚禁离子和超冷量子气体结合在一个实验装置中的混合量子系统，开辟了一个快速发展的研究领域，包括量子化学、极化子物理、量子信息处理和量子模拟。我们提出了一个完全开发和测试的离子阱芯片，并提出了一个平面芯片陷阱，可以放置在离子阱下面。这种设计基本上解决了混合阱所特有的困难，并且具有良好对准的芯片，其允许独立调整原子阱的深度以及离子的限制和定位。离子阱已成功地测试与线性离子晶体的Yb $^{+}$和中性$^{87}$ Rb也加载到一个mMOT下的离子捕获区域几毫米。
2023-01-25 physics.atom-ph quant-ph
Phase-space study of surface-electrode Paul traps: Integrable, chaotic, and mixed motions
我们提出了一个全面的相空间处理带电粒子在电动势阱中的运动。我们以五线表面电极保罗陷阱为重点，研究了单个离子可积和混沌运动的细节。我们引入适当的相空间措施，并给出了一个普遍的表征的陷阱有效性的参数的函数。我们严格推导出常用的（与时间无关的）赝势近似，量化其有效性的制度，并分析其故障的机制内的时间依赖的潜力。我们开发的相空间方法给出了一个一般的框架，用于描述离子动力学在各种各样的表面保罗陷阱。为了探索这个框架实验，我们提出并分析，使用数值模拟，一个实验，可以实现与现有的四线陷阱。我们预测一个强大的实验签名的混合规则和混沌相空间结构内的陷阱口袋的存在。复杂丰富的逃逸动力学表明，表面陷阱可以探索相空间中的微观哈密顿输运现象。
2018-05-31 nlin.CD physics.atom-ph quant-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
Trapping Ions and Atoms Optically
从环境中隔离中性和带电粒子在精密实验中至关重要。几十年来，这一直是通过用射频（rf）场捕获离子和用光场捕获中性粒子来实现的。最近，已经证明了通过与光的相互作用来捕获离子。这可能允许结合光学捕获和离子的优点。例如，通过叠加光阱来研究在没有任何射频场的情况下的离子和原子的集合，以及受益于光晶格所具有的多功能和可扩展的捕获几何形状。特别是，离子提供了单独的可寻址性，电子和运动自由度，可以通过高保真度，状态相关的操作进行相干控制和检测。它们的长程库仑相互作用明显大于中性原子和分子。这为研究囚禁离子和原子的超冷相互作用和化学反应提供了条件，同时也为更高维的实验量子模拟提供了一个新的平台。这一专题审查的目的是介绍最先进的技术，并讨论当前的挑战和新兴领域的前景。
2021-05-03 physics.atom-ph quant-ph
Single ions trapped in a one-dimensional optical lattice
本文报道了单离子在由两束反向传播的激光束形成的光晶格中的三维光阱。我们的特点的捕获参数的驻波使用的离子作为传感器存储在一个混合陷阱组成的射频（rf），直流，和光学势。当加载离子直接从射频到驻波阱，我们观察到一个占主导地位的加热速率。蒙特卡罗模拟证实了深光晶格内的射频诱导参量激发是主要的源。我们展示了一种替代的传输协议，其中涉及一个中间步骤的光限制在一个单光束陷阱，避免了时间上的重叠的驻波和射频场的影响。混合（射频/光学）和纯光学陷阱的影响出现作为平台的超冷化学实验探索原子-离子碰撞或量子模拟实验与离子，或离子和原子的组合。
2012-08-16 physics.atom-ph quant-ph
Trapping and sympathetic cooling of single thorium ions for spectroscopy
精确的光学光谱学的外来离子揭示了准确的信息，如核性质的电荷半径和磁性和四极矩。钍离子表现出独特的核性质，与测试自然界的对称性高度相关。我们报告的负载和捕获的单个$^{232}$ Th $^+$离子在线性保罗陷阱，嵌入和同情冷却的小晶体的捕获$^{40}$钙$^+$离子。被捕获的Th离子以非破坏性的方式从晶体发射的激光诱导Ca荧光图案中的空隙中识别，或者，当从Paul阱提取离子并将它们引导到外部检测器中时，通过飞行时间信号识别。我们已经装载和处理了总共231个单独的Th离子。我们达到了$\gtrsim 95\, \%$的飞行时间检测效率，与检测器的量子效率一致。共振冷却技术有望应用于其他同位素和Th的各种电荷态，为进一步研究$^{229m}$ Th.
2018-07-16 physics.atom-ph quant-ph
