基于单离子声子激光的电场精密测量

来源 :中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院) | 被引量 : 0次 | 上传用户:fei061101
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针对电场的精密测量是科学实验和高科技设备制作中所亟需的技术。在精密测量与人工智能蓬勃发展的时代,传统的传感器已经无法满足人们对精度和灵敏度的需求。基于单个囚禁离子的感知有着体积小、质量轻、空间可分辨、高灵敏度等优点,在精密测量科学领域起着不可替代的作用。本文主要介绍基于单个囚禁离子实现的光学激光器的机械模拟—声子激光器。我们发现,该系统对外部电场具有惊人的敏感性。因此我们通过施加一个很小的直流电场力到系统中,来演示声子激光对外部信号的感知情况。单个被囚禁在表面电极离子阱中的40Ca+离子,被两束激光同时照射,其中一束的频率低于原子跃迁频率,称之为红失谐激光,用于抑制离子的运动;另一束稍微高于原子跃迁频率,称之为蓝失谐激光,对离子的运动有放大的作用。在某些特定的参数下,离子受到的冷却力和激发力达到平衡,开始以稳定的振幅振荡。这种振荡类似于光学激光器在受激辐射下的行为,我们称之为声子激光。这个系统的简洁性使我们可以对其进行深入的理论研究,从而精确地匹配上我们的观察结果。但与光学激光器不同,我们的单离子声子激光器不发射声子。为了从外部操纵这个系统,我们输入微小的外部同步信号,称为注入锁定。这是一个重要的技术。为此我们开发了一种电场测量技术来研究注入锁定动力学:在直流电极上施加一个微小的直流电压,通过注入锁定对相位进行同步锁定,测量直流电压对囚禁场的改变,并通过同步测量获得荧光信号的分布,得到声子激光的振幅和相位。在这种情况下,我们推导的理论和实验结果完全一致,由此获得了对声子激光测量电场的物理解释。我们引入的直流电场力非常小,计算得到实验所用的电场力为919.7 yN(1 yN=10-24N)。这种方法测量直流电场力的灵敏度为3.32±0.50 zN/(?)(1 zN=10-21N),比菲涅尔透镜用光学方法直接观测的结果高出两个量级。在此基础上,我们进一步针对声子激光的相位不确定度实施参量压缩,获得3 dB压缩效果,将灵敏度提高到了 2.38±0.47 zN/(?)。因此,该系统是探测超弱电场的探针,并可能应用于对电场噪声的精密测量。
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