介紹

線性Paul阱中的激光冷卻離子是一種具有顯著性質(zhì)的量子系統(tǒng)。捕獲的離子提供了前所未有的制備和參數(shù)控制，可以冷卻到基態(tài)，并可以耦合到工程儲層。由于這些原因，它們在量子計算和信息處理應(yīng)用的實驗研究中發(fā)揮了突出作用。它們也是研究量子熱力學(xué)的寶貴工具。

如今，許多領(lǐng)域的研究人員使用捕獲的離子進(jìn)行實驗，從而能夠研究量子現(xiàn)象。使用捕獲離子的應(yīng)用列表正在迅速增長，這類工作可能是量子計算、量子密碼學(xué)和基于光的電信等不同領(lǐng)域取得重大進(jìn)展的關(guān)鍵。本申請說明將重點(diǎn)介紹德國兩所大學(xué)(美因茨、奧格斯堡)的科學(xué)家聯(lián)合進(jìn)行的研究。這組科學(xué)家最近提出了一個用單個離子實現(xiàn)納米熱機(jī)的實驗方案。

量子熱機(jī)

上述科學(xué)家小組試圖解決的根本問題是，是否可以在保持相同工作原理的同時，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的汽車等常用的大型熱機(jī)縮小到單粒子水平?？茖W(xué)家們分析了一種使用單一激光冷卻離子作為工作氣體的納米熱機(jī)實驗方案。

在美因茨大學(xué)量子物理研究所進(jìn)行的實驗中，該團(tuán)隊實現(xiàn)了奧托循環(huán)，這是四沖程汽車發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)，通過將冷離子限制在具有錐形幾何形狀的線性保羅阱中(見圖1)，并將其耦合到一對工程儲液器中。

圖1。左圖：單離子熱機(jī)的線性Paul阱。它的錐形幾何形狀允許徑向狀態(tài)與軸向振蕩耦合。2右圖：實驗裝置顯示了真空室中的Paul阱。照片由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian Singer博士、Johannes Rossnagel和Georg Jacob(美因茨大學(xué)量子物理研究所)提供

兩個熱浴交替地加熱和冷卻離子的徑向熱狀態(tài)。徑向溫度的變化轉(zhuǎn)化為軸向運(yùn)動，從而轉(zhuǎn)化為可用功。通過以100kHz的軸向本征頻率諧振地重復(fù)該循環(huán)，沿陷阱軸積累了大的相干振幅。圖2中給出了一個經(jīng)典的模擬。

圖2:經(jīng)典的活塞/飛輪模擬。2由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian博士提供的示意圖

歌手Johannes Rossnagel和Georg Jacob(美因茨大學(xué)量子物理研究所)。

德國科學(xué)家通過分析確定了單離子熱機(jī)在不同狀態(tài)下最大功率下的量子效率。他們還對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了蒙特卡洛模擬，不僅證明了其可行性，而且證明了其在現(xiàn)實條件下以30%的最大效率運(yùn)行的能力。

盡管已經(jīng)使用各種類型的系統(tǒng)建造了微型熱機(jī)，但從未建造過量子熱機(jī)。然而，在他們的數(shù)值模擬和分析的鼓舞下，德國的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)制造出了一個單原子發(fā)動機(jī)。

實驗成像

在他們的實驗中，一個鈣離子被捕獲在一個特殊的Paul阱的電磁場中，并通過激光冷卻到1 mK的溫度。為了在熱機(jī)循環(huán)中驅(qū)動離子，科學(xué)家們通過施加電噪聲和激光冷卻交替加熱和冷卻離子。

單離子熱機(jī)實驗演示的優(yōu)值是作為熱浴溫度函數(shù)產(chǎn)生的功。由于產(chǎn)生的功以100kHz的振蕩形式直接轉(zhuǎn)化為運(yùn)動，因此對后者的精確觀測至關(guān)重要。

為了觀察離子在100kHz下的振蕩，科學(xué)家們使用了emICCD相機(jī)。曝光時間僅為0.5微秒，超高靈敏度成像系統(tǒng)就可以在空間和時間上精確地分辨離子運(yùn)動(見圖3)。

正是emICCD相機(jī)的快速門控能力使科學(xué)家們能夠展示單離子熱機(jī)的功能和性能。這將導(dǎo)致對單個粒子熱力學(xué)的進(jìn)一步理解。

圖3。用Teledyne Princeton Instruments emICCD相機(jī)拍攝的單個離子的視頻截圖。由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian Singer博士、Johannes Rossnagel和Georg Jacob(美因茨大學(xué)量子物理研究所)提供

應(yīng)用技術(shù)

PI-MAX4:1024EMB emICCD相機(jī)(見圖4)無縫結(jié)合了圖像增強(qiáng)器的快速門控能力和背光、幀傳輸、1024 x 1024 EMCCD檢測器的出色線性，為在納秒和皮秒時間尺度上執(zhí)行的應(yīng)用提供了定量、超高靈敏度的性能。

圖4。普林斯頓儀器公司的PI-MAX4:1024EMB為用戶提供了增強(qiáng)CCD(ICCD)相機(jī)和電子倍增CCD(EMCCD)相機(jī)的優(yōu)勢。

這種纖維光學(xué)結(jié)合的普林斯頓儀器PI-MAX?4相機(jī)系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)快速門增強(qiáng)器提供<500 psec的門寬度，同時保持量子效率。其集成的SuperSynchro定時發(fā)生器允許相機(jī)用戶在GUI軟件控制下設(shè)置門脈沖寬度和延遲，并顯著降低了固有的插入延遲(~27nsec)。

使用普林斯頓儀器公司最新版本的LightField?數(shù)據(jù)采集軟件(可選)，可以簡單地完全控制所有PI-MAX4:1024EMB硬件功能。通過極其直觀的LightField用戶界面提供了精密增強(qiáng)器門控控制和門延遲，以及一系列易于捕獲和導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)的新穎功能。

PI-MAX4:1024EMB使用高帶寬(125 MB/秒或1000 Mbps)GigE數(shù)據(jù)接口為相機(jī)用戶提供實時圖像傳輸。該接口支持50米以外的遠(yuǎn)程操作。

或者，不需要門控的研究可以受益于先進(jìn)的高速EMCCD技術(shù)，例如普林斯頓儀器公司的ProEM HS相機(jī)(見圖5)。ProEM?“HS”系列提供了一種特殊的動力學(xué)讀出模式，通過照亮傳感器的一小部分，然后在微秒內(nèi)捕獲和移動一系列子幀，提高了時間分辨率。這些高靈敏度、背照式EMCCD相機(jī)設(shè)計用于跟上最新的高重復(fù)率激光器。

圖5。普林斯頓儀器公司的ProEM HS相機(jī)提供背光、電子倍增CCD的高靈敏度和特殊動力學(xué)讀出模式的速度。

未來趨勢

隨著無數(shù)的技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)不可阻擋向單個量子粒子的極限邁進(jìn)，實驗研究將變得更加具有挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性。因此，下一代科學(xué)相機(jī)必須能夠提供此類研究所需的卓越靈敏度和速度。本文提到的PI-MAX4:1024EMB和ProEM HS相機(jī)代表了利用捕獲離子進(jìn)行研究的高性能定量成像能力的前沿。

審核編輯 黃宇