Кулоновский кристалл

Кулоновский кристалл (также ионный кулоновский кристалл ) представляет собой совокупность захваченных ионов, заключенных в кристаллоподобную структуру при низкой температуре. Структуры представляют собой равновесие между отталкивающим кулоновским взаимодействием между ионами и электрическими и магнитными полями, используемыми для удержания ионов. В зависимости от методов и параметров удержания, а также количества ионов в ловушке они могут быть 1-, 2- или 3-мерными, с типичным расстоянием между ионами ~10 мкм, что значительно больше, чем у типичных твердотельных ловушек. кристаллические структуры. ^{[ 1 ]} Помимо ионных ловушек, кулоновские кристаллы также встречаются в природе в небесных объектах, таких как нейтронные звезды. ^{[ 2 ]}

Описание

Величина кулоновского взаимодействия F между двумя ионами с зарядом q и Q на расстоянии R друг от друга определяется выражением

$F={\frac {qQ}{4\pi \epsilon _{0}R^{2}}}$

направлен вдоль оси между двумя ионами, где положительное значение представляет собой силу отталкивания и наоборот.

Методы улавливания включают вариации ловушки Пола и ловушки Пеннинга , где первая использует только электрические поля, а вторая также использует магнитные поля для удержания ионов. Рассматривая простой случай двух ионов, удерживаемых в линейной ловушке Пауля, мы имеем радиочастотное осциллирующее поле, которое само по себе может удерживать одиночный ион в (аксиальном?) направлении.

Экспериментальная реализация

Типичный процесс создания ICC в лаборатории включает ионизацию элементарного источника с последующим помещением в ионную ловушку, где они визуализируются посредством флуоресценции. Изменение таких параметров, как аксиальный или радиальный удерживающий потенциал, может привести к различной наблюдаемой геометрии кристалла, даже если количество ионов не изменится.

При измерениях с участием сильно заряженных ионов они обычно наблюдаются как «темные» области флуоресценции кулоновского кристалла из-за их разных энергетических уровней. ^{[ 3 ]} Этот эффект заметен и тогда, когда ионы в кулоновском кристалле исчезают без изменения структуры кристалла за счет смешивания с примесями в неидеальном вакууме.

Эффекты нагрева также важны для характеристики кулоновских кристаллов, поскольку тепловое движение может привести к размытию изображения. Это может быть вызвано тем, что охлаждающий лазер немного не находится в резонансе, и поэтому его необходимо тщательно контролировать.

Приложения и свойства

Кулоновские кристаллы различных ионных типов находят применение во многих областях физики. ^{[ 4 ]} например, в высокоточной спектроскопии, ^{[ 5 ]} квантовая обработка информации и резонаторная КЭД.

Ссылки

^ Томпсон, Ричард К. (2 января 2015 г.). «Ионные кулоновские кристаллы» . Современная физика . 56 (1): 63–79. дои : 10.1080/00107514.2014.989715 . hdl : 10044/1/21491 . ISSN 0010-7514 . S2CID 118839705 .
^ Байко, Д.А. (25 марта 2014 г.). «Кулоновские кристаллы в коре нейтронной звезды» . Физический журнал: серия конференций . 496 : 012010. doi : 10.1088/1742-6596/496/1/012010 . ISSN 1742-6596 .
^ Шмогер, Л.; Версолато, ОО; Шварц, М.; Конен, М.; Виндбергер, А.; Пист, Б.; Фейхтенбайнер, С.; Педрегоса-Гутьеррес, Дж.; Леопольд, Т.; Мике, П.; Хансен, АК (13 марта 2015 г.). «Кулоновская кристаллизация высокозарядных ионов» . Наука . 347 (6227): 1233–1236. дои : 10.1126/science.aaa2960 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 25766230 . S2CID 20711393 .
^ Дрюсен, Майкл (01 марта 2015 г.). «Ионные кулоновские кристаллы» . Физика Б: Конденсированное вещество . 460 : 105–113. дои : 10.1016/j.physb.2014.11.050 . ISSN 0921-4526 .
^ Шмидт, ПО; Розенбанд, Т.; Лангер, К.; Итано, ВМ; Бергквист, JC; Вайнленд, диджей (29 июля 2005 г.). «Спектроскопия с использованием квантовой логики» . Наука . 309 (5735): 749–752. дои : 10.1126/science.1114375 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16051790 . S2CID 4835431 .

[1] Томпсон, Ричард К. (2 января 2015 г.). «Ионные кулоновские кристаллы» . Современная физика . 56 (1): 63–79. дои : 10.1080/00107514.2014.989715 . hdl : 10044/1/21491 . ISSN 0010-7514 . S2CID 118839705 .

[2] Байко, Д.А. (25 марта 2014 г.). «Кулоновские кристаллы в коре нейтронной звезды» . Физический журнал: серия конференций . 496 : 012010. doi : 10.1088/1742-6596/496/1/012010 . ISSN 1742-6596 .

[3] Шмогер, Л.; Версолато, ОО; Шварц, М.; Конен, М.; Виндбергер, А.; Пист, Б.; Фейхтенбайнер, С.; Педрегоса-Гутьеррес, Дж.; Леопольд, Т.; Мике, П.; Хансен, АК (13 марта 2015 г.). «Кулоновская кристаллизация высокозарядных ионов» . Наука . 347 (6227): 1233–1236. дои : 10.1126/science.aaa2960 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 25766230 . S2CID 20711393 .

[4] Дрюсен, Майкл (01 марта 2015 г.). «Ионные кулоновские кристаллы» . Физика Б: Конденсированное вещество . 460 : 105–113. дои : 10.1016/j.physb.2014.11.050 . ISSN 0921-4526 .

[5] Шмидт, ПО; Розенбанд, Т.; Лангер, К.; Итано, ВМ; Бергквист, JC; Вайнленд, диджей (29 июля 2005 г.). «Спектроскопия с использованием квантовой логики» . Наука . 309 (5735): 749–752. дои : 10.1126/science.1114375 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16051790 . S2CID 4835431 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]