emICCD相机促进了捕获离子用于量子研究

介绍

线性Paul阱中的激光冷却离子是一种具有显著性质的量子系统。捕获的离子提供了前所未有的制备和参数控制，可以冷却到基态，并可以耦合到工程储层。由于这些原因，它们在量子计算和信息处理应用的实验研究中发挥了突出作用。它们也是研究量子热力学的宝贵工具。

如今，许多领域的研究人员使用捕获的离子进行实验，从而能够研究量子现象。使用捕获离子的应用列表正在迅速增长，这类工作可能是量子计算、量子密码学和基于光的电信等不同领域取得重大进展的关键。本申请说明将重点介绍德国两所大学(美因茨、奥格斯堡)的科学家联合进行的研究。这组科学家最近提出了一个用单个离子实现纳米热机的实验方案。

量子热机

上述科学家小组试图解决的根本问题是，是否可以在保持相同工作原理的同时，将热能转化为机械功的汽车等常用的大型热机缩小到单粒子水平。科学家们分析了一种使用单一激光冷却离子作为工作气体的纳米热机实验方案。

在美因茨大学量子物理研究所进行的实验中，该团队实现了奥托循环，这是四冲程汽车发动机的基础，通过将冷离子限制在具有锥形几何形状的线性保罗阱中(见图1)，并将其耦合到一对工程储液器中。

图1。左图：单离子热机的线性Paul阱。它的锥形几何形状允许径向状态与轴向振荡耦合。2右图：实验装置显示了真空室中的Paul阱。照片由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian Singer博士、Johannes Rossnagel和Georg Jacob(美因茨大学量子物理研究所)提供

两个热浴交替地加热和冷却离子的径向热状态。径向温度的变化转化为轴向运动，从而转化为可用功。通过以100kHz的轴向本征频率谐振地重复该循环，沿陷阱轴积累了大的相干振幅。图2中给出了一个经典的模拟。

图2:经典的活塞/飞轮模拟。2由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian博士提供的示意图

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

德国科学家通过分析确定了单离子热机在不同状态下最大功率下的量子效率。他们还对发动机进行了蒙特卡洛模拟，不仅证明了其可行性，而且证明了其在现实条件下以30%的最大效率运行的能力。

尽管已经使用各种类型的系统建造了微型热机，但从未建造过量子热机。然而，在他们的数值模拟和分析的鼓舞下，德国的科学家们现在已经制造出了一个单原子发动机。

实验成像

在他们的实验中，一个钙离子被捕获在一个特殊的Paul阱的电磁场中，并通过激光冷却到1 mK的温度。为了在热机循环中驱动离子，科学家们通过施加电噪声和激光冷却交替加热和冷却离子。

单离子热机实验演示的优值是作为热浴温度函数产生的功。由于产生的功以100kHz的振荡形式直接转化为运动，因此对后者的精确观测至关重要。

为了观察离子在100kHz下的振荡，科学家们使用了emICCD相机。曝光时间仅为0.5微秒，超高灵敏度成像系统就可以在空间和时间上精确地分辨离子运动(见图3)。

正是emICCD相机的快速门控能力使科学家们能够展示单离子热机的功能和性能。这将导致对单个粒子热力学的进一步理解。

图3。用Teledyne Princeton Instruments emICCD相机拍摄的单个离子的视频截图。由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian Singer博士、Johannes Rossnagel和Georg Jacob(美因茨大学量子物理研究所)提供

应用技术

PI-MAX4:1024EMB emICCD相机(见图4)无缝结合了图像增强器的快速门控能力和背光、帧传输、1024 x 1024 EMCCD检测器的出色线性，为在纳秒和皮秒时间尺度上执行的应用提供了定量、超高灵敏度的性能。

图4。普林斯顿仪器公司的PI-MAX4:1024EMB为用户提供了增强CCD(ICCD)相机和电子倍增CCD(EMCCD)相机的优势。

这种纤维光学结合的普林斯顿仪器PI-MAX®4相机系统使用标准快速门增强器提供<500 psec的门宽度，同时保持量子效率。其集成的SuperSynchro定时发生器允许相机用户在GUI软件控制下设置门脉冲宽度和延迟，并显著降低了固有的插入延迟(~27nsec)。

使用普林斯顿仪器公司最新版本的LightField®数据采集软件(可选)，可以简单地完全控制所有PI-MAX4:1024EMB硬件功能。通过极其直观的LightField用户界面提供了精密增强器门控控制和门延迟，以及一系列易于捕获和导出图像数据的新颖功能。

PI-MAX4:1024EMB使用高带宽(125 MB/秒或1000 Mbps)GigE数据接口为相机用户提供实时图像传输。该接口支持50米以外的远程操作。

或者，不需要门控的研究可以受益于先进的高速EMCCD技术，例如普林斯顿仪器公司的ProEM HS相机(见图5)。ProEM®“HS”系列提供了一种特殊的动力学读出模式，通过照亮传感器的一小部分，然后在微秒内捕获和移动一系列子帧，提高了时间分辨率。这些高灵敏度、背照式EMCCD相机设计用于跟上最新的高重复率激光器。

图5。普林斯顿仪器公司的ProEM HS相机提供背光、电子倍增CCD的高灵敏度和特殊动力学读出模式的速度。

未来趋势

随着无数的技术、设备和系统不可阻挡向单个量子粒子的极限迈进，实验研究将变得更加具有挑战性和复杂性。因此，下一代科学相机必须能够提供此类研究所需的卓越灵敏度和速度。本文提到的PI-MAX4:1024EMB和ProEM HS相机代表了利用捕获离子进行研究的高性能定量成像能力的前沿。

审核编辑 黄宇