[發明專利]基于43Ca+離子測量微弱高頻交變磁場的裝置及方法

在審

• 申請號: 201910198658.0
• 申請日: 2019-03-15
• 公開（公告）號: CN109814049A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 周飛;熊飛雷;章嘉偉;李加沖;馮芒
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 李鵬;王敏鋒

1.基于⁴³Ca⁺離子測量微弱高頻交變磁場的裝置，包括真空室(1)，其特征在于，還包括設置在真空室(1)內的線形離子阱(2)和⁴³Ca原子爐(3)，

真空室(1)上周向均勻分布有第一CF63接口(A)、第二CF63接口(B)、第三CF63接口(C)、第四CF63接口(D)、第五CF63接口(E)、第六CF63接口(F)、第七CF63接口(G)和第八CF63接口(H)，第一CF63接口(A)～第八CF63接口(H)的中心點位于同一分布圓周，真空室(1)的頂面設置有第一CF200接口(7)，真空室(1)的底面設置有第二CF200接口(8)，

第一CF63接口(A)上設置有用于入射光電離激光到線形離子阱(2)中心的通光窗口；第五CF63接口(E)上設置有用于入射多普勒冷卻激光和回泵激光到線形離子阱(2)中心的的通光窗口，且第一CF63接口(A)與第五CF63接口(E)分別安裝有磁場線圈(4)，

第六CF63接口(F)設置有用于入射多普勒冷卻激光和回泵激光到線形離子阱(2)中心的通光窗口，

第八CF63接口(H)設置有用于入射態探測激光、態制備激光、量子位操作微波I、量子位操作微波II到線形離子阱(2)中心的通光窗口，

第二CF63接口(B)和第七CF63接口(G)均安裝了用來探測囚禁離子所發出的熒光的探測窗口(6)，

第四CF63接口(D)安裝有探測窗口(6)，第三CF63接口(C)通過六通真空連接器(20)分別與升華泵(17)、真空計(18)、真空角閥(19)和離子泵(21)連接。

2.根據權利要求1所述的基于⁴³Ca⁺離子測量微弱高頻交變磁場的裝置，其特征在于，所述的線形離子阱(2)包括陶瓷固定架(24)，以及固定在陶瓷固定架(24)上的直流電極(23)、射頻電極(22)和微運動補償電極(25)，陶瓷固定架(24)固定在第一CF200接口(7)上，線形離子阱(2)產生的離子囚禁區位于線形離子阱(2)中心且位于真空室(1)中心。

3.根據權利要求2所述的基于⁴³Ca⁺離子測量微弱高頻交變磁場的裝置，其特征在于，所述的第一CF200接口(7)上設置了第一CF40接口(12)，第一CF40接口(12)上安裝有射頻饋通(13)，射頻饋通(13)與射頻電極(22)連接，第一CF200接口(7)上設置有第一CF16接口(9)，第一CF16接口(9)上安裝有直流饋通(11)，第一CF16接口(9)上的直流饋通(11)分別與直流電極(23)以及微運動補償電極(25)連接，第一CF200接口(7)上還設置有與水平面呈60度夾角且用于入射邊帶冷卻激光的上額外CF40接口(15)，第二CF200接口(8)上設置有第二CF40接口(14)和第二CF16接口(10)，第二CF16接口(10)上安裝有與⁴³Ca原子爐(3)連接的直流饋通(11)。

4.基于⁴³Ca⁺離子測量微弱高頻交變磁場的方法，利用權利要求3所述的基于⁴³Ca⁺離子測量微弱高頻交變磁場的裝置，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、對⁴³Ca原子爐(3)通電加熱，產生鈣原子蒸氣，鈣原子蒸氣擴散到線形離子阱(2)中心；

步驟2、從第一CF63接口(A)入射光電離激光到線形離子阱(2)中心，光電離激光與⁴³Ca原子相互作用，產生⁴³Ca⁺離子；

步驟3、在射頻電極(22)上加載射頻電信號，在直流電極(23)上加載直流電壓信號，在微運動補償電極(25)上加載直流電壓信號，線形離子阱(2)產生囚禁⁴³Ca⁺離子的離子囚禁區，被囚禁的⁴³Ca⁺離子的經第五CF63接口(E)和第六CF63接口(F)同時入射的多普勒冷卻激光和回泵激光冷卻到1mK以下；

步驟4、從上額外CF40接口(15)入射邊帶冷卻激光到離子囚禁區的中心，從第五CF63接口(E)入射回泵激光到離子囚禁區的中心，對⁴³Ca⁺離子進行邊帶冷卻；

步驟5、從第八CF63接口(H)的入射到離子囚禁區的中心的態探測激光、態制備激光，與從第五CF63接口(E)的入射到離子囚禁區的中心的回泵激光同時作用，將⁴³Ca⁺離子制備初態到S_1/2態；

步驟6、確定第一CF63接口(A)與第五CF63接口(E)上安裝的磁場線圈(4)產生的靜磁場的磁感應強度B，

其中，ν_g為待測交變磁場頻率，為已知值，β＝2.86965×10^-4MHz/G,x＝B/1151.131，E_hf＝3225.6082864MHz,

步驟7、確定從從第八CF63接口(H)入射的量子位操作微波I的頻率v_I和量子位操作微波II的頻率v_II分別為：

量子位操作微波I和量子位操作微波II使得⁴³Ca⁺離子能級基態|0，->分別與能級|-1，+>、|0，+>發生共振躍遷；

步驟8、求取量子位操作微波I的振幅B_I和量子位操作微波II的振幅B_I分別為：

其中，Ω為步驟7中共振躍遷的Rabi頻率；

步驟9、利用從第八CF63接口(H)入射的態探測激光，以及從第五CF63接口(E)入射的回泵激光，測出⁴³Ca⁺離子處在能級|0,+>隨著時間衍化的布居概率，經過設定時間的測量，測量到態|0,+>與|B>間的Rabi振蕩曲線，通過Rabi振蕩曲線計算出Rabi振蕩頻率，記本步驟的Rabi振蕩頻率為

求取待測交變磁場的振幅B_g：