35、新型线性离子阱用于频率标准应用

新型线性离子阱用于频率标准应用

1. 引言

近年来，囚禁离子频率标准的发展备受关注。这是因为被囚禁在电磁阱中的离子，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，能够使其对环境变化具有天然的免疫力，从而研制出长期稳定性极佳的频率标准。例如，参考文献中提到的囚禁 $^{199}Hg^+$ 离子钟，在平均时间大于 $10^6$ 秒时，是目前稳定性最高的时钟。

然而，像毫秒脉冲星计时以及太阳系内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囚禁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，某些囚禁参数（如阱场强度、温度和实际囚禁粒子数）的不稳定性会影响频率偏移，进而导致频率不稳定。由于这种偏移也强烈依赖于离子数量，因此会出现一种权衡情况：为了减少原本会产生的（相对）较大频率偏移，只能囚禁较少的离子。

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。该离子阱有望在不增加二阶多普勒不稳定性的情况下，增加囚禁离子的数量。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，与负载相当的双曲阱相比，囚禁场的多普勒频移可降低 10 倍。

2. 射频阱中离子的二阶多普勒频移

在射频离子阱中，囚禁力源于随时间变化的电场，该电场从阱中心向各个方向增强。在理想情况下，位于阱中心静止的单个粒子速度为零，因此不会产生二阶多普勒频移。

但当阱中有多个粒子时，情况则大不相同。此时，静电排斥作用会使离子相互远离，并远离阱中心。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