35、用于频率标准应用的新型离子阱

用于频率标准应用的新型离子阱

1. 引言

近年来，人们在被困离子频率标准的开发方面投入了大量精力。这是因为被限制在电磁阱中的离子，其原子能级受到的扰动极小。通过选择合适的离子，并将其悬浮在直流或射频四极阱中，能够使其具有对环境变化的固有免疫力，从而推动了具有良好长期稳定性的频率标准的发展。然而，像毫秒脉冲星计时和太阳系低频引力波探测等特定应用，对稳定性的要求超出了现有标准。

离子频率源的基本性能主要取决于阱中离子的数量，但频率偏移的最大来源是由捕获场通过二阶多普勒效应或相对论时间膨胀效应引起的原子运动。此外，某些捕获参数（如阱场强度、温度和实际捕获的粒子数量）的不稳定性会影响频率偏移，导致频率不稳定。由于这种偏移也强烈依赖于离子数量，因此需要进行权衡，即捕获较少的离子以减少可能产生的较大频率偏移。

为了解决这个问题，研究人员设计并构建了一种混合射频/直流线性离子阱。这种阱有望在不增加二阶多普勒不稳定性的情况下增加存储的离子数量。其离子存储容量比传统射频阱大20倍，这将显著提高时钟性能。或者，与同等负载的双曲阱相比，捕获场的多普勒频移可以降低10倍。

2. 射频阱中离子的二阶多普勒频移

射频离子阱中的捕获力源于时变电场，该电场从阱的中心向各个方向增强。在理想情况下，位于阱中心（此处电场为零）的单个静止粒子没有速度，因此不会产生二阶多普勒频移。

然而，当阱中有多个粒子时，情况则大不相同。静电排斥力会使离子相互远离，并远离阱的中心。随着离子数量的增加，离子云的尺寸也会增大，将离子推向射频场越来越强的区域。由此产生的速度会导致原子跃迁频率随着离子数量的增加而向下偏移。

计算二阶多普勒频移需要详细了解离子分