通过LC电路介导的被困质子的交感神经冷却

　　质子和抗蛋白质的电荷与质量比和G因子的测量是一种突出的，稳定的颗粒 - 抗粒子系统，受低温颗粒温度的限制14,15,16。但是，没有电子结构，（抗）质子（质子和抗蛋白质）不适合标准激光冷却技术。此外，很容易被激光冷却的离子不容易被捕获在带负电荷的抗蛋白质或反物质分子离子（例如）17的相同电位及其潜在的潜力及其潜在的潜在势能下。已经提出了带负电的IOM18,19,20和微观制造的诱捕电位1,21,22的交感神经激光冷却。另一种提议的另一种技术是在30年前提出的，它通过通过诱导电极中的诱导图像电流耦合到具有合理的冷却过渡的离子，将激光冷却扩展到外来系统。同样，在精确光谱23,24，质量测量结果25，量子信息10和量子工程中，寻求无光学结构的系统的耦合激光寻址离子。 　　我们展示了单个质子的交感神经冷却，并使用超导LC电路扩展了图像电流耦合技术，从而共同增强了质子和激光冷离子之间的能量交换。我们使用低温多启动陷阱系统将单个质子存储在质子陷阱中，而Be+离子的云在铍陷阱中，轴向分离约9厘米（图1A）。平行于电极轴的均匀磁场B和电压V0处的电二极管电位限制颗粒，并在径向平面中产生圆形磁控管和修饰的回旋体运动，并在频率ν-，ν-，ν+和νZ处以谐波轴向运动，谐波轴向运动。具有高质量因子的LC谐振器（在我们的情况下Q〜15,000）通常用于检测陷阱电极中的图像电流27中的图像电流，如图1A所示，我们将谐振器连接到两个陷阱，以使两个离子陷阱系统通过粒子诱导的图像电流耦合。总电容Cr≈36pf和电感LR≈3.0MH的LC电路具有等效平行电阻，在共振频率ν0处为RP =2πν0LRQ。整个系统由等效电路建模，其中质子和BE+离子是串联LC电路，具有电容性和电感CP，CBE，LP和LBE（参考文献28），该电路与超导LC电路并行连接（图1B）。BE+离子也被冷却激光器抑制，表示为可变的虚拟电阻RL（参考文献9）。与仅通过共享电极之间在离子陷阱系统之间交换能量的建议相反，我们使用LC电路谐振器将被困颗粒的轴向模式搭配。在共振时，谐振器线圈的较大电感补充电极电容，并通过Q值增强了离子诱导的图像电流。使用用于精确的PENNING-TRAP实验的机械加工陷阱， 〜10-MHz耦合率预期的非谐振提案11需要微小的冷却周期，并且由于谐振耦合的损失而受到限制。例如，捕获电势的电压波动。对于我们谐振冷却演示中使用的参数，以2.6 Hz的速率（通过共振上的DIP宽度测量）在质子和交感激光冷却的谐振器之间交换了能量，以便在几秒钟内达到热平衡，并且在两种物种的轴向频率之内就可以易于匹配。值得注意的是，通过通过谐振器耦合离子陷阱系统，耦合不依赖共享电极，因此能量汇率不受陷阱电容的限制。因此，可以在长距离和几个分布式离子陷阱上实现这种冷却方案。 　　该耦合系统的噪声光谱以谐振器电压信号的快速傅立叶变换（FFT）显示（图1C）。整个系统是由谐振器的Johnson噪声和低温放大器的其他电压噪声的组合驱动的，从而导致有效的噪声温度T0 = 17.0（2.4）K（括号中的数量是1σ不确定性）。在这里，质子陷阱中质子的轴向频率和铍陷阱中的BE+离子通过调节每个陷阱中轴向电势的电压（νzV01/2）通过LC电路接近共振。在测得的噪声频谱中，检测器显示为宽约40 Hz（以半含量最大（FWHM）的共振全宽度（全宽度），而质子和BE+离子短，将谐振器的平行电阻缩短，并以狭窄的倾角为狭窄的倾角，其宽度为宽度，由电荷量比和TRAP DIAMETER 28确定。 　　我们证明，质子，BE+离子和谐振器通过测量热平衡处的噪声光谱来形成三个耦合振荡器的系统。我们远离LC电路谐振频率ν0≈479,000Hz的三个谐振线宽约三个离子物种，以通过FFT线路观察耦合签名。在这些测量值中，我们以恒定的轴向频率将质子存储在质子陷阱中，并逐渐增加铍陷阱中单个BE+离子的轴向频率。所得的FFT光谱显示在浸入位置（图2A，深蓝色）和最大值耦合三振荡器系统的两个正常模式（图2A，红色）。在P-BE+共振附近，这两个颗粒的轴向运动不再仅由捕获电势决定，我们观察到三个振荡器系统的两个正常模式中的耦合特征。此特征与图2B中电路模型的阻抗得出的分析解决方案一致（请参阅方法），并在三个振荡器交换能量时出现。使用模拟（在方法中描述），我们在存在环境噪声的情况下显示了相应的时间域行为（图2C）。在没有环境噪声的情况下，每个振荡器随时间的函数的能量是确定性的，可以从初始阶段和能量汇率找到。在包括环境噪声的情况下，仍然可以交换能量，如在不存在激光冷却时所示，振荡器能量由这种等效的噪声温度确定。 　　我们进一步证明，质子的温度可以通过耦合到兴奋的be+离子云来修饰，这里由约15个离子组成。为此，我们在铍陷阱中应用2ν0处的参数RF驱动器，如果νz为be =ν0，它会激发Be+离子，但是，如背景测量所证实的那样（请参阅方法），对质子陷阱中的质子没有直接影响。通过将质子与弱激发的Be+离子相连，Be+离子看起来像是宽，浅的倾角，交感激发的质子显示为狭窄的峰（请参阅方法）。为了量化传递到质子的能量，我们在耦合到激发的be+离子之前和之后测量质子的轴向频率。将激发轴向模式耦合到c+ - νz处的侧带驱动器，将轴向模式的能量传递到回旋体模式，从而将能量E+=（ν+/νz）EZ（参考文献29）传递。与连续的尾anglach效应30相似，质子陷阱中磁场的二次成分，b2 = -0.39（11）t m -2与能量E+，p的修饰回旋模式的磁矩相互作用，在轴向轴向频率移动ΔeNΔνδe+，p（请参见方法），该量可以更改，该量均可确定，该量会更改。我们显示了质子能量E+，P变化的标准偏差的演变，而激发+离子被调谐到与质子的共振（图2D，橙色）以及从谐振器中触发时（图2D，蓝色）。在此实验中，我们交流了谐振和异位测量值，并看到质子能量明显增加，这是由遥控，谐振介导的耦合与激发离子产生的。与偏置点相反，共振点显示出近三个数量级的散射， 统计显着性超过20σ。在两个交织的测量结果中，激发驱动器仍保持启动，以确保仅由于离子 - 普罗顿偶联而增加的散射。此外，由于离子耦合到激发驱动器，我们会限制谐振器温度的变化（请参阅方法）。为了进行比较，图2D（绿点）也显示了驱动器关闭时的散射。 　　在存在连续激光冷却的Be+离子云的情况下，我们对交感神经冷却的演示采用了相似的轴向频移测量。用闭合的2S1/2→23/2过渡将BE+离子冷却，并调节与超导电路和质子共振（图3A）。冷却激光器会抑制轴向运动，增加等效电阻RL（图1B）并减少宽Be+倾斜的信号。激光冷却离子降低了整个电路中的有效噪声温度，并在狭窄的频率范围内降低温度。使用狭窄的质子倾角作为系统冷却共同模式的温度传感器，我们通过轴向倾角的能量依赖性偏移来确定温度降低，并使用时间域模拟进一步了解冷却。 　　对称，圆柱板陷阱可对诱捕电势进行高度控制。我们在质子陷阱中使用故意引入的陷阱非谐度，该质子陷阱将轴向频率移动 　　在这里，CN（TR）是沿陷阱轴局部捕获电位扩展的系数，该系数取决于施加到中央环电极（V0）的电压之比，而两个最近的校正电极（VCE）26,31,32，称为调音率，TR = VCE/V0。当将激光冷却的Be离子调谐到共振时，质子，谐振器和BE+离子的噪声能量从环境的噪声温度降低，从而导致轴向频移， 　　其中νz，1（TR，T0）=νz +Δνz（TR，T0）是当Be +离子被解剖时在T0处测得的轴向频率，而νZ，2（TR，TP）=νz +ΔνZ（TR，TP）是在激光型离子中测量的轴向频率是在激光元素中的轴向频率，并将其降低温度，并降低温度为TP，则在轴向频率下降低。陷阱非谐度的特征是从理想调谐比Δtr= tr -tr（C4 = 0）的偏移偏移，并且是由陷阱几何κ= 45.4 Hz K -1确定的常数，我们通过使用电子反馈来改变谐振器的温度来进行其他测量。我们测量Δνz作为ΔTR的函数，测得的斜率S决定了温度的变化，ΔT= t0 -tp = -s/κ。示例测量的结果以蓝色显示在图3b中。在共振中使用十个BE+离子，我们测量了一个斜率s = -350（14）Hz，并且在Be+离子的背景测量中（图3B，橙色），获得斜率s = 4（13）Hz。这对应于温度降低ΔT= 7.7（0.3）k，并证明了单个捕获质子的交感激光冷却。这也具有20多个标准偏差的意义，这也证明了远程图像介导的交感神经冷却，适用于任何带电的粒子，而无需方便的冷却过渡。 　　质子的温度取决于激光冷离子散发的噪声功率。在电路表示中，增加激光冷却γL的阻尼增加了RL，并具有降低Be+离子与谐振器的耦合速率的作用，在没有激光冷却的情况下，浸入量宽度宽度γBEnbe给出了。对于给定数量的激光冷却离子NBE，必须优化γL，在限制情况下，当γlγBEBE+离子由谐振器驱动并且浸入信号不变。同样，当γlγBE时，Be+离子与谐振器和浸入信号的分离消失。在这两种限制情况下，谐振器和质子的温度保持不变。 　　但是，增加NBE的增加和激光冷却可以降低谐振器和质子的温度，即使在大γL处也会降低。为了降低温度并研究TP的缩放，我们对NBE和激光器失调的δ进行了一系列进一步的测量（图4）。我们还通过比较温度模型来分析温度缩放，在该温度模型中，等效电路的公共模式温度TCM来自竞争性耗散源。环境的噪声温度T0，以LC共振γD的宽度给出，在温度TBE处给出的Be+离子。结果，该系统达到了热平衡 　　何时将质子温度近似为 　　通过γbenbe复制1/nBE缩放，出现在非共鸣的提案中9,11和相关建议中，在被困的离子量子信息10,33,34的背景下。在这些测量值中，激光δδ可以看作是改变γL并随后的调谐参数（请参见方法）。结果，最低的质子温度是通过最小化的be+温度来找到的，Be+温度对应于较低的激光解体，而是通过最大化离子与检测器的偶联（对应于较大的探测器）。对于此处使用的实验参数，δ= -90 MHz是仍然可见的最大的激光失调。最大的离子云γBE= 164（5）Hz，并从冷却过渡的中心δ= -90 MHz的中心最大的解息（图4）代表了我们测量中观察到的最低温度。我们实现降低的温度 　　并使用环境温度T0获得 　　不确定性由T0之一主导。该测量表明温度降低了85％。 　　通过降低放大器T0的噪声温度，增加谐振器的Q值，或使用较小的陷阱以较小的半径增加γBE，可以实现较低的温度。此外，通过对最大耦合速率进行这些演示测量，通过呼吸器与BE+离子冷却的加热平衡是最大的效率低下的，并且将来将对未来的冷却工作进行平衡，以平衡耦合速率和温度极限与工程的冷却序列35。 　　在我们的实验目标的背景下，该技术可以很容易地应用于相同大的宏观陷阱中的交感激光质子和抗蛋白质，从而实现了电荷与质量比率和g-factor1,11的精确测量。另外，在测量轴向温度时，侧带耦合29或轴向化36可用于冷却抗蛋白质的径向运动。在核磁矩的测量中，这将使近100％的自旋挡Fidelity11,15,16,37，并且可以在最高的精度质量测量中降低与颗粒温度成正比的主要系统效应38,39,40。此外，该技术可用于冷却其他外来系统，例如高电荷23,24或分子离子17,41，交感冷却的谐振器可以增强暗物质搜索的敏感性13,41,42。最终，该演示实现了一种长期以来的实验技术，该技术将在较低的温度下对任何带电物种进行精确实验。