Способ охлаждения ионов
ION COOLING METHOD

Изобретение относится к области применения ионных ловушек для охлаждения ионов и может быть использовано в спектроскопии, в области оптических стандартов частоты, разработки более простых кубитов для квантовых компьютеров на основе ионных ловушек.
Уровень техники
Основным элементом устройства, с помощью которого осуществляется способ охлаждения ионов, являются ионная ловушка Пауля [1]. Ловушка может быть как линейной, где поле формируется четырьмя или более протяженными электродами, расположенными вокруг общей оси, называемой осью ловушки и соединенными электрически попарно, так и трехмерной, где поле формируется двумя гиперболическими электродами и одним кольцевым электродом. Удерживающее ионы поле в ловушке поле создается посредством подачи высокочастотного напряжения RF+и RF-, соответственно положительный потенциал на одну группу электродов, отрицательный - на другую. Усреднение высокочастотного поля по периоду дает поле так называемого псевдопотенциала, в поле которого ионы совершают секулярное движение.
Широко применяется способ охлаждения ионов с применением лазерных технологий на основе эффекта Доплера. Выбирается лазер, излучающий на частоте немного ниже частоты перехода между энергетическими уровнями заряженной частицы. Ионы движущееся навстречу фотону, в отличии от ионов движущихся в других направлениях, поглощают фотоны лазерного излучения и затем излучают фотон в произвольном направлении. В среднем испускаются фотоны с энергией большей чем у поглощенных. Это различие в энергиях приводит к снижению кинетической энергии движения частицы. Охлаждение ионов в ловушке Пеннига описано в работе [2] за 1982 г. Недостатком методов лазерного охлаждения является избирательность метода к виду ионов, т.к. с помощью эффекта Доплера могут охлаждаться только истинно-двухуровневые системы. Таким образом, охлаждению могут подвергаться ограниченный круг атомарных ионов, а молекулярные ионы практически недоступны для охлаждения этим сопособом.
Известен способ охлаждения ионов под названием способа с обратной связью или также известном под названием способа стохастического охлаждения, например, описанном в работе [3]. Уловленные ионы в ловушке совершают в ней колебания и наводят электрический ток на электроды ловушки, наведенный сигнал усиливается, инвертируется и подается обратно на электроды. Недостатком известного способа является высокий предел минимальной температуры охлаждения, связанный с высоким уровнем шумов в цепи обратной связи, управляющей питанием ловушки.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков, выбранным за прототип, является известный способ адиабатического охлаждения колеблющихся в потенциальной яме ионов. Потеря энергии у ионов осуществляется за счет уменьшения части потенциальной энергии в расширяющейся потенциальной яме. При медленном расширении или изменении глубины потенциальной ямы, осуществляется адиабатическое охлаждение с сохранением адиабатического инварианта. В общем виде эти процессы описаны Ландау в [4]. Для гармонического осциллятора в этом случае сохраняется отношение средней энергии колеблющихся частиц к их циклической частоте. Процесс адиабатического охлаждения исследован теоретически и осуществлен экспериментально, например, в работе [5]. Обычно за счет адиабатического охлаждения добиваются снижения температуры в 5-10 раз. Недостатком известного способа является невысокая степень охлаждения – всего в 5-10 раз относительно изначальной температуры или собственной энергии единичного иона.
Целью настоящего изобретения является устранение недостатков известных способов, а именно - увеличение степени охлаждения ионов, удерживаемых в ловушке и достижение универсальности способа охлаждения по отношению к виду ионов.
Сущность изобретения
Технический результат изобретения достигается путем осуществления следующих операций: ионы улавливают и удерживают в ионной ловушке, изменяют режим питания ловушки для уменьшения глубины или расширения удерживающей потенциальной ямы, что соответственно приводит к уменьшению собственной энергии ионов. Дополнительно с этим определяют фазу движения иона в ловушке,
изменяют режим питания ловушки для увеличения глубины или сужения удерживающей потенциальной ямы и делают это в фазе прохождения иона или центра масс ионного облака вблизи дна потенциальной ямы. Время, за которое производится последняя упомянутая операция, должно быть существенно меньше периода секулярных колебаний иона в ловушке. Процесс циклического, синхронизированного с фазой колебаний ионов изменения глубины и/или ширины потенциальной ямы повторяют два и более раз.
Указанная в техническом результате изобретения универсальность по отношению к виду ионов удерживаемых и охлаждаемых в ловушке достигается за счет того, что эффект охлаждения основан на воздействии динамически изменяемого поля на заряженные частицы и принципиально не зависит от их массы, заряда, структуры электронных уровней. Более высокая степень охлаждения иона или ионов достигается за счет многократного повторения цикла охлаждения. Возможность многократного повторения цикла охлаждения достигается за счет синхронизации изменения поля ловушки к фазе движения иона в ловушке. Цикл динамического изменения поля ловушки не связан жестко по обратной связи с каналом определения фазы колебании иона и поэтому, у системы меньше возможности внесения шума в каналы питания ловушки, который существенно ограничивает степень охлаждения ионов в известных способах охлаждения с обратной связью. За счет этого, дополнительно достигается более высокая степень охлаждения, указанная в техническом результате.
Ионы или ион улавливаются в ионной ловушке 1. Ловушка может представлять из себя мультипольную систему, например, квадруполь (Фиг. 2), состоящую, из четырех электродов соединенных попарно. Количество электродов и конфигурация ловушки может быть другими. Ловушка может представлять з себя классическую ловушку Пауля (Фиг. 3). Главное в ловушке должно создаваться удерживающее ионы поле. Ионы удерживаются в ловушке за счет переменного электрического поля, создаваемого электродами 5 и 6 (фиг. 1), на которые попарно подается ВЧ напряжение вида  на одну пару и  на другую. В результате усреднения высокочастотного поля по периоду, в ионной ловушке создается поле эффективного потенциала (или псевдопотенциала) высокочастотного квадрупольного электрического поля, который при отсутствии постоянной составляющей равен , где  – глубина потенциальной ямы двухмерной ловушки, где m – масса иона, .- радиус поля,  – амплитуда и частота питающего ВЧ напряжения ловушки, q – параметр квадрупольного поля. Как видно из выражения для псевдопотенциальной ямы, для изменения ее глубины можно изменить или амплитуду, или частоту питающего ВЧ напряжения. В процессе этапа охлаждения ионов, глубину потенциальной ямы нельзя уменьшать ниже предела, когда собственная энергия иона превысит величину D. В этом случае ионы покинут ловушку. В псевдопотенциальной яме с центром на оси квадруполя ионы совершают периодические колебания, которые называются секулярными. Секулярная частота колебаний ионов в квадрупольной ионной ловушке определяется выражением .
Эффективный потенциал высокочастотного n-польного (n=6 - гексаполь, n=8 – октуполь и т.д.) электрического поля выражается как .
Уменьшая глубину потенциальной ямы в процессе колебаний ионов, можно уменьшать их потенциальную энергию. Время снижения глубины потенциальной ямы, во время которого происходит потеря собственной энергии ионов может быть как и большим, занимающим несколько периодов колебаний иона, так и коротким, менее полупериода. и ограничено сверху только разумным временем, необходимым для осуществления эксперимента.
Потеря собственной энергии ионами при медленном расширении потенциальной ямы объясняется и описывается явлением адиабатического охлаждения. Эффективность охлаждения при медленном изменении потенциальной ямы можно оценить исходя из известного соотношения сохранения адиабатического инварианта для гармонического осциллятора [2], согласно которому , где E - собственная энергия частицы, Ω - секулярная частота. При быстром расширении потенциальной ямы эффект потери ионами энергии адиабатическим приближением не описывается и адиабатический инвариант не сохраняется. В этом случае движение ионов описывается уравнениями движения Хилла.
Также эффект потери ионами энергии можно наглядно объяснить графиком, представленным на Фиг. 4. Если в момент, когда кинетическая энергия иона минимальна (на максимуме амплитуды), уменьшить глубину потенциальной ямы, то ион потеряет часть своей потенциальной энергии и, соответственно, возвращаясь к точке равновесия, наберет меньшую кинетическую энергию.
Для достижения глубокого охлаждения необходимо циклическое изменение потенциальной ямы. Цикл охлаждения состоит из снижения глубины (или ее расширения) потенциальной ямы и последующего быстрого ее восстановления. Если происходит медленное снижение, удается достигнуть 5-10 кратного снижения кинетической энергии уловленного иона. В момент, когда мы восстанавливаем, т.е. углубляем или сужаем потенциальную яму, ионы неизбежно приобретают потенциальную энергию. Чем ближе ион окажется к центру потенциальной ямы, тем меньшую энергию он получает.Время обратного увеличения глубины или сужения потенциальной ямы также влияет на величину приобретаемой энергии. Чем быстрее произойдет восстановление потенциальной ямы, тем меньшую энергию приобретает заряженная частица. Время увеличения глубины потенциальной ямы должно быть много меньше периода секулярных колебаний иона в ловушке. В идеале, оно должно быть импульсным и происходить в момент пересечения центральной оси ловушки, т.е. дна потенциальной ямы.
Таким образом цикл изменения потенциальной ямы необходимо синхронизовать с фазой движения ионов в ловушке. Цикличность изменения ширины потенциальной ямы ловушки синхронизуется к фазе движения иона таким образом, чтобы увеличение глубины происходило в фазе движения, когда ион проходит вблизи дна потенциальной ямы.
Как один из вариантов определения и синхронизации фазы колеблющегося иона или центра масс облака ионов предлагается визуальный способ по флюоресценции ионов.
На Фиг. 1. Представлен один из вариантов реализации предлагаемого способа охлаждения ионов. Согласно нему, ион или ионы улавливаются, например, в линейной ионной в ловушке 1, на которую подаются питающие ВЧ напряжения с управляемого генератора 6. Уловленные ионы совершают в ней колебания. Далее осуществляется синхронное с фазой секулярных колебаний ионов изменения глубины или формы удерживающего ионы поля ловушки. Поле может изменятся как за счет изменения параметра q ловушки, например, за счет изменения амплитуды ВЧ питания, так и за счет изменения потенциалов на торцевых электродах ловушки 7. Для синхронизации воздействия на ионы определяется фаза их колебаний путем регистрации с помощью позиционно чувствительного детектора 5 фотонов флюоресценции 4. Для этого область удержания ионов 2 в ловушке подсвечивается лазером 3 для возбуждения флюоресценции. Позиционно чувствительный детектор фотонов 5, определяет положение и момент испускания фотона. Как один из вариантов, детектор может представлять собой сборку микроканальных пластин с конвертирующим фотоны флюоресценции в электроны экраном, а коллектор исполнен в виде концентрических колец с центром на оси ловушки. По данным, полученным с детектора 5 определяется фаза колебания иона и ВЧ генератор 6 синхронизует по ним изменение режимов питания ловушки.
Литература:
1. W. Paul, H. Steinwedel, Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld, Zeitschrift Fur Naturforsch. - Sect. A J. Phys. Sci. 8 (1953) 448-450. doi:10.1515/zna-1953-0710.
2. W.M. Itano, D.J. Wineland, Laser cooling of ions stored in harmonic and Penning traps, Phys. Rev. A. (1982). doi:10.1103/PhysRevA.25.35.
3. Beverini, N., Lagomarsino, V., Manuzio, G., Scuri, F., Testera, G., Torelli, G. Experimental verification of stochastic cooling in a penning trap, Physica Scripta, 1988 (T22), pp.238-239.
4. Е.М. Ландау, Л. Д., Лифшиц, «Теоретическая физика», том I, Механика, Наука, 1988.
5. G.Z. Li, R. Poggiani, G. Testera, G. Werth, Adiabatic cooling of ions in the penning trap, Zeitschrift Für Phys. D Atoms, Mol. Clust. 22 (1991) 375-382. doi:10.1007/BF01438559.