diapo_presentation_these_Kamsap

Horloge micro-onde à ions: analyse et transport
d’un nuage d’ions dans un piège à plusieurs zones
Marius Romuald KAMSAP
Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires, UMR 7345
Aix-Marseille Université, CNRS
Soutenance de thèse
17 décembre 2015

Conﬁnement des ions en piège linéaire
Interaction atome-laser des ions froids
Transport et accumulation d’ions dans le piège
Ions froids en piège octupolaire
Conclusion et perspectives
Introduction
Projet de l’équipe CIML : Métrologie de fréquence
Collaboration entre l’équipe CIML et le Centre National
d’Études Spatiales (CNES)
2 / 46

Introduction
Objectif pour le CNES :
Horloge micro-onde stable en fréquence pour des longues
durées (≈ 10−15
s/jour)
2 / 46

Introduction
s/jour)
Qui n’emploie pas de source laser (excité par lampe)
(durée de vie des lasers⇒ facteur limitant pour la Navigations
spatiales de longue durée)
2 / 46

Introduction
s/jour)
Qui n’emploie pas de source laser (excité par lampe)
(durée de vie des lasers⇒ facteur limitant pour la Navigations
spatiales de longue durée)
Objectif pour l’équipe :
Réduire l’impact de certains facteurs limitant la stabilité de
fréquence de l’horloge
2 / 46

Introduction
Candidat à la fréquence micro-onde 199Hg+
194 nm
40,5 GHz
6,9 GHz
2
S1/2
F=1, mF = 0
F=0, mF = 0
2
P1/2
F=1
F=0
Transition hyperﬁne de 2S1/2 à 40,5GHz
(λ = 7, 4mm)
3 / 46

Introduction
194 nm
40,5 GHz
6,9 GHz
2
S1/2
F=1, mF = 0
F=0, mF = 0
2
P1/2
F=1
F=0
(λ = 7, 4mm)
Régime de Lamb Dicke ∆X0 < λ ⇒ sans
refroidissement laser / horloge optique →
Eﬀet Doppler de 1er ordre éliminé
3 / 46

Introduction
194 nm
40,5 GHz
6,9 GHz
2
S1/2
F=1, mF = 0
F=0, mF = 0
2
P1/2
F=1
F=0
(λ = 7, 4mm)
Régime de Lamb Dicke ∆X0 < λ
Stabilité de fréquence : variance d’Allan
σ(τ0) =
∆ν
ν0
1
SNR
T0
τ0
3 / 46

Introduction
194 nm
40,5 GHz
6,9 GHz
2
S1/2
F=1, mF = 0
F=0, mF = 0
2
P1/2
F=1
F=0
(λ = 7, 4mm)
σ(τ0) =
∆ν
ν0
1
SNR
T0
τ0
Pour une meilleure stabilité de fréquence
Grand nombre d’ions SNR ⇒ N
3 / 46

Introduction
194 nm
40,5 GHz
6,9 GHz
2
S1/2
F=1, mF = 0
F=0, mF = 0
2
P1/2
F=1
F=0
(λ = 7, 4mm)
σ(τ0) =
∆ν
ν0
1
SNR
T0
τ0
Pour une meilleure stabilité de fréquence
Grand nombre d’ions SNR ⇒ N
Nombre d’ions constant ⇒ ν0 constante
⇒ ∆ν
Faible eﬀet Doppler de second ordre 3 / 46

Introduction
Prototype d’horloge du JPL-NASA (Deep Space Atomic Clock)
Nuage de ∼ 107 ions créés par bombardement électronique
www.nasa.gov
4 / 46

Introduction
Refroidissement par gaz tampon à 300K
www.nasa.gov
4 / 46

Introduction
Faible eﬀet Doppler de second ordre ⇒ Pièges multipolaires (2k-pôles)
www.nasa.gov
4 / 46

Introduction
∆νD2
ν0
∝
NL
k − 1
avec k
www.nasa.gov
4 / 46

Introduction
∆νD2
ν0
∝
NL
k − 1
avec k
Profondeur du puits ∝
1
k2
www.nasa.gov
4 / 46

Introduction
∆νD2
ν0
∝
NL
k − 1
avec k
1
k2
www.nasa.gov
création et détection des ions ⇒ piège plus profond
4 / 46

Introduction
∆νD2
ν0
∝
NL
k − 1
avec k
1
k2
www.nasa.gov
création et détection des ions ⇒ piège plus profond
Piège quadrupolaire 2k = 4
Création et détection des ions
Piège multipolaire (2k = 8, 12, 16)
excitation micro-onde 4 / 46

Introduction
Mise en œuvre expérimentale avec le 40Ca+ au lieu de 199Hg+
40Ca+ : Spécialité de l’équipe CIML
5 / 46

Introduction
Disponibilité des sources lasers pour la création et le
refroidissement
5 / 46

Introduction
Disponibilité des sources lasers pour la création et le
refroidissement
Paramètres facilement transposables entre
40Ca+ et 199Hg+
5 / 46

Introduction
Création Piégeage
Octupole
Four
Quadrupole
5 / 46

Objectifs de la thèse
Piégeage d’un grand nuage ∼ 107 ions et gardé constant
à 0,1%
6 / 46

Piégeage d’un grand nuage ∼ 107 ions et gardé constant à
0,1%
Transport dans les trois zones
très rapide /temps adiabatiques ∼ quelque seconde
sans perte ⇒ N constant
sans chauﬀage ⇒ SNR constant
6 / 46

Piégeage d’un grand nuage ∼ 107 ions et gardé constant à
0,1%
Transport dans les trois zones
très rapide /temps adiabatiques ∼ quelque seconde
sans perte ⇒ N constant
sans chauﬀage ⇒ SNR constant
Étude du rôle de la répulsion coulombienne des grands
nuages dans le potentiel avec des géométries diﬀérentes.
6 / 46

Plan de l’exposé
1 Conﬁnement des ions en piège linéaire
2 Interaction atome-laser des ions froids
3 Transport et accumulation d’ions dans le piège
4 Ions froids en piège octupolaire
5 Conclusion et perspectives
7 / 46

Conﬁguration du piège
Création des ions par photo-ionisation
Piégeage d’ions en piège linéaire
Thermodynamique des ions piégés
Schéma du piège, détection du signal et Lasers
Création Piégeage
Octupole
Four
PI PII PIII
Electrodes DC
Quadrupole
Chaque zone du piège est construite pour conﬁner 107 ions
PI PII PIII
8 / 46

Schéma du piège, détection du signal et Lasers
Chaque zone du piège est construite pour conﬁner 107 ions
PI PII PIII
8 / 46

Principe de la photo-ionisation
Niveaux d’énergie du 40
Ca
λ < 389nm
423nm
continuum
λ < 203nm
continuum
4s2
4s4p
4s2
(a) (b)
4s + ε 4s + ε
9 / 46

niveaux d’énergie du 40Ca+
λ < 389nm
423nm
continuum
λ < 203nm
continuum
4s2
4s4p
4s2
(a) (b)
4s + ε 4s + ε
sources lasers de photo-ionisation
faisceau à 423nm ⇒ doublage en
fréquence d’une diode laser 846nm
9 / 46

λ < 389nm
423nm
continuum
λ < 203nm
continuum
4s2
4s4p
4s2
(a) (b)
4s + ε 4s + ε
deuxième transition ⇒ diode laser
à 375nm < 389nm
9 / 46

λ < 389nm
423nm
continuum
λ < 203nm
continuum
4s2
4s4p
4s2
(a) (b)
4s + ε 4s + ε
à 375nm < 389nm
Protocole expérimental
Création Piégeage
Octupole
Four
PI PII PIII
Electrodes DC
Quadrupole
Four
Lasers
jet d’atomes
2θm
9 / 46

λ < 389nm
423nm
continuum
λ < 203nm
continuum
4s2
4s4p
4s2
(a) (b)
4s + ε 4s + ε
à 375nm < 389nm
Protocole expérimental
Création Piégeage
Octupole
Four
PI PII PIII
Electrodes DC
Quadrupole
Four
Lasers
jet d’atomes
2θm
ceux qui ne sont pas
piégés se déposent sur
les barreaux ⇒ potentiel
de contact
Nécessité de contrôler la création 9 / 46

Protocole de création des ions dans PI
Spectre du 40Ca : par balayage en fréquence du laser à 423nm
−800 −600 −400 −200 0 200 400 600 800 1000
10
3
10
4
´Ecart en fr´equence du pic 40
Ca [MHz]
Signal[coups/ms]
42
Ca
44
Ca
40
Ca
10 / 46

Protocole de création des ions dans PI
Spectre du 40Ca : par balayage en fréquence du laser à 423nm
−800 −600 −400 −200 0 200 400 600 800 1000
10
3
10
4
´Ecart en fr´equence du pic 40
Ca [MHz]
Signal[coups/ms]
42
Ca
44
Ca
40
Ca
Protocole de création
Laser 423nm en résonance
"ON" "OFF" du laser à 375nm piloté par Labview
durée d’allumage du laser 375nm = durée de création
10 / 46

Résultats de la création dans PI
Paramètres
∆423 0 MHz
TFour = 310oC
P423 = 80µW
P375 = 3, 5mW
N=1700 ions/s
Influence de la durée de création
0 10 20 30 40
0
1
2
3
4
5
6
x 10
4
Durée de création [s]
Nombredíonscréés
(technique de comptage du nombre d’ions présenté plus loin)
11 / 46

Résultats de la création dans PI
Paramètres
∆423 0 MHz
TFour = 310oC
P423 = 80µW
P375 = 3, 5mW
N=1700 ions/s
Influence de la durée de création
0 10 20 30 40
0
1
2
3
4
5
6
x 10
4
Nombredíonscréés
(technique de comptage du nombre d’ions présenté plus loin)
Influence des puissances des lasers de création
durée de création tC = 10s tC = 15s
P375 (mW) 3,5 6 2 3,5
N 13300±600 23300 ±1200 10200±500 22000±1100
Reproductibilité des mesures : ±5% 11 / 46

Piégeage dans le plan radial (x, y)
Piège quadrupolaire
Piège octupolaire
V0(t) =
VRF cos (ΩRF t)
2
12 / 46

Piégeage dans le plan radial (x, y)
Piège quadrupolaire
Piège octupolaire
V0(t) =
VRF cos (ΩRF t)
2
φr (x, y, t) = V0(t)
x2 − y2
r2
0
φr (x, y, t) = V0(t)
x4 + y4 − 6x2y2
r4
0
12 / 46

Piégeage le long de l’axe
Développement au 2ème ordre : ∆ΦDC = 0
ΦDC (x, y, z) = κVDC
z2
0
z2 −
x2 + y2
2
13 / 46

z2
0
z2 −
x2 + y2
2
Approximation adiabatique dans un piège radio-fréquence
Approximation du pseudo-potentiel
Ψ(r) =
q2E2
0 (r)
4mΩ2
RF
13 / 46

z2
0
z2 −
x2 + y2
2
Approximation adiabatique dans un piège radio-fréquence
Approximation du pseudo-potentiel
Ψ(r) =
q2E2
0 (r)
4mΩ2
RF
Stabilité des trajectoires : ηad (r) =
2q | E0(r) |
mΩ2
RF
ηad (r) < ηmax = 0, 3
D. Gerlich Adv. Chem. Phys 1992 13 / 46

Approximation adiabatique dans un piège multipolaire
mouvement global : Macro + micro-mouvement
r(t) = R0(t) −
qE0(R0)
mΩ2
RF
cos ΩRF t
14 / 46

r(t) = R0(t) −
qE0(R0)
mΩ2
RF
cos ΩRF t
Cas particulier du piège quadrupolaire (2k = 4)
0 1 2 3 4
−60
−40
−20
0
20
40
60
Temps [µs]
position[µm]
y
x
ωr (VRF ) ≈ 250kHz ; ΩRF = 5MHz
14 / 46

r(t) = R0(t) −
qE0(R0)
mΩ2
RF
cos ΩRF t
Cas particulier du piège quadrupolaire (2k = 4)
0 1 2 3 4
−60
−40
−20
0
20
40
60
Temps [µs]
position[µm]
y
x
ωr (VRF ) ≈ 250kHz ; ΩRF = 5MHz
N ions piégés :micro-mouvement=⇒ Chauffage RF
Chauffage RF amplitude RF
Chauffage RF distance des ions au centre 14 / 46

Dynamique des ions en piège multipolaire d’ordre 2k
radial axial
Ψ2k (r, z) =
k2
16
q2V 2
RF
mΩ2
RF r2
0
r
r0
2(k−1)
+
κVDC
2z2
0
(2z2
− r2
)
Potentiel Radial : Ψ2k(r) = αr2(k−1)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
r/r0
Ψ2k(r)/Ψ2k(r0)
2k = 4
2k = 8
2k = 12
2k = 16
2k = 20
15 / 46

Dynamique des ions en piège multipolaire d’ordre 2k
radial axial
Ψ2k (r, z) =
k2
16
q2V 2
RF
mΩ2
RF r2
0
r
r0
2(k−1)
+
κVDC
2z2
0
(2z2
− r2
)
Potentiel Radial : Ψ2k(r) = αr2(k−1)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
r/r0
Ψ2k(r)/Ψ2k(r0)
2k = 4
2k = 8
2k = 12
2k = 16
2k = 20
Chauﬀage RF avec k :
E0 ∝ rk−1
15 / 46

Comportement d’un nuage à l’équilibre thermodynamique
Distribution de Boltzmann-Poisson
n(r, z) = n0 exp −
ξ(r, z)
kBT
ξ(r, z) = Ψ2k(r, z) + qφp(r, z)
∆φp(r, z) = −
qn(r, z)
0
Résolution⇒ longueur de Debye :
λD = kBT 0/q2n ∼ µm
Description pertinente ⇒
λD << taille du système
16 / 46

n(r, z) = n0 exp −
ξ(r, z)
kBT
ξ(r, z) = Ψ2k(r, z) + qφp(r, z)
∆φp(r, z) = −
qn(r, z)
0
Piège quadrupolaire T → 0K
0 10 20 30 40
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
n(r)/n0
r/λD
nc =
2m 0
q
ω2
x : uniforme
16 / 46

n(r, z) = n0 exp −
ξ(r, z)
kBT
ξ(r, z) = Ψ2k(r, z) + qφp(r, z)
∆φp(r, z) = −
qn(r, z)
0
Piège quadrupolaire T → 0K
0 10 20 30 40
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
n(r)/n0
r/λD
nc =
2m 0
q
ω2
x : uniforme
Piège octupolaire T → 0K
0 1 2 3 4 4.5
0
5
10
15
n(r)/n0
r/λD
nc(r, z) ∝ (r/r0)2(k−2)
T → 0K =⇒structure en tube
16 / 46

Refroidissement des ions alcalino-terreux
Transition de phase gaz-liquide
Analyse du signal de ﬂuorescence des ions
Refroidissement laser des ions alcalino-terreux
Schéma d’énergie pour le 40Ca+
866nm
397nm
S1/2
P1/2
D3/2
17 / 46

866nm
397nm
S1/2
P1/2
D3/2
Sources lasers commerciaux
0 < PB < 4mW
repompage ⇒ diode laser à 866nm
0 < PR ≤ 30mW
17 / 46

866nm
397nm
S1/2
P1/2
D3/2
0 < PB < 4mW
0 < PR ≤ 30mW
Particularité : résonance noire
∆B = ∆R ⇒ Piégeage cohérent de
population dans les états stable et
(ou) métastable.
−60 −40 −20 0 20 40 60 80
0
0.05
0.1
∆B [MHz]
PopulationP1/2 ∆R = -20MHz
∆R = 20MHz
17 / 46

866nm
397nm
S1/2
P1/2
D3/2
0 < PB < 4mW
0 < PR ≤ 30mW
Particularité : résonance noire
∆B = ∆R ⇒ Piégeage cohérent de
population dans les états stable et
(ou) métastable.
Intéressant pour le transfert de
population par STIRAP
M. R. Kamsap et al J. phys. B, 2013
−60 −40 −20 0 20 40 60 80
0
0.05
0.1
∆B [MHz]
PopulationP1/2 ∆R = -20MHz
∆R = 20MHz
17 / 46

866nm
397nm
S1/2
P1/2
D3/2
94%
6%
Spectre numérique
−60 −40 −20 0 20 40 60 80
0
0.05
0.1
∆B [MHz]
PopulationP1/2
∆R = -20MHz
∆R = 20MHz
Spectre expérimental : Résonance noire
−200 −150 −100 −50 0 50 100 150 200
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
∆R [MHz]
Signal[coups/ms]
PB = 675µW PR = 3mW
N ≈ 4000 ions
18 / 46

Spectre de ﬂuorescence par balayage du laser bleu
Signal de ﬂuorescence d’ions
−280 −240 −200 −160 −120 −80 −40 0 40 80 120
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
∆B [MHz]
Signal[coups/ms]
Sens balayage
A
B
D
C
Images du nuage pendant le spectre
A B C D
19 / 46

Spectre de fluorescence par balayage du laser bleu
Signal de fluorescence d’ions
−280 −240 −200 −160 −120 −80 −40 0 40 80 120
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
∆B [MHz]
Signal[coups/ms]
Sens balayage
A
B
D
C
Images du nuage pendant le spectre
A B C D
Transition abrupte : compétition
entre chauffage RF et
refroidissement laser
R. Blümel et al Nature, 1988 19 / 46

Analyse de la morphologie du nuage d’ions sur la caméra
Nuage en phase liquide en piège quadrupolaire
Nuage elliptique avec R et L les demi-axes du nuage
L. Turner Phys. Fluids, 1987
Densité uniforme
nc = 2m 0ω2
x /q2
A. Prasad and T. M. O’Neil J. Phys. B, 1979
T ∼ 100mK et nc ∼ 1, 5.105atomes/mm3
20 / 46

Analyse de la morphologie du nuage d’ions sur la caméra
Nuage en phase liquide en piège quadrupolaire
Nuage elliptique avec R et L les demi-axes du nuage
L. Turner Phys. Fluids, 1987
Densité uniforme
nc = 2m 0ω2
x /q2
A. Prasad and T. M. O’Neil J. Phys. B, 1979
T ∼ 100mK et nc ∼ 1, 5.105atomes/mm3
Nombre d’ions=densité×Volume (R,L)
→Technique d’analyse automatique pour déterminer le volume 20 / 46

Description de la technique d’analyse
1 Contour du signal
200 300 400 500 600 700
2000
4000
6000
8000
Signal[u.arb.]
Section du signal
200 300 400 500 600 700
-150
-100
-50
0
50
100
150
D´eriv´ee[u.arb]
X [Pixels]
Seuil du signal
(a)
(b)
R1
R2
2 Fit du contour
X [Pixels]
Y[Pixels]
200 300 400 500 600 700
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
(c)
21 / 46

Validation par la loi du rapport d’aspect des nuages (PII)
Rapport d’aspect du nuage en phase liquide α = R/L
ω2
z
ω2
r
= ρ(α) L. Turner Phys. Fluids, 1987
Vériﬁée expérimentalement par L. Hornekaer et al PRL 2001
ωx ∝ VRF ωz ∝
√
VDC
ω2
r = ω2
x − ω2
z /2
22 / 46

Validation par la loi du rapport d’aspect des nuages (PII)
Rapport d’aspect du nuage en phase liquide α = R/L
ω2
z
ω2
r
= ρ(α) L. Turner Phys. Fluids, 1987
Vériﬁée expérimentalement par L. Hornekaer et al PRL 2001
ωx ∝ VRF ωz ∝
√
VDC
ω2
r = ω2
x − ω2
z /2
nc ∝ ω2
x ∝ V 2
RF
Nf = ncR2
f Lf Ncal = ncR3
f /α
Comparaison de Ncal et Nf
δN = (Ncal − Nf )/Ncal
VRF =cte, δN = δVol car nc = cte
VRF =cte, dispersion supplémentaire liée à la
densité
22 / 46

Analyse dans PII
δN pour des VRF constantes
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
−0.02
−0.01
0
0.01
0.02
VDC [V]
δN
22000 ions VRF = 820VPP
23 / 46

Analyse dans PII
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
−0.02
−0.01
0
0.01
0.02
VDC [V]
δN
δN pour diﬀérentes VRF et VDC
0 20 40 60 80 100
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
Images
δN
23 / 46

Analyse dans PII
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
−0.02
−0.01
0
0.01
0.02
VDC [V]
δN
0 20 40 60 80 100
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
Images
δN
Résultats d’analyse
En PI δVol = ±1, 5% à
VRF =cte
En PII δVol = ±1% à
VRF =cte
En PI et PII δN = ±5%
VRF =cte
23 / 46

Analyse dans PII
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
−0.02
−0.01
0
0.01
0.02
VDC [V]
δN
0 20 40 60 80 100
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
Images
δN
Résultats d’analyse
En PI δVol = ±1, 5% à
VRF =cte
En PII δVol = ±1% à
VRF =cte
En PI et PII δN = ±5%
VRF =cte
Analyse des ellipses allongées
X [Pixels]
Y[Pixels] 200 400 600 800 1000
200
300
400
500
600
700
800
900
Analyse =⇒Quantiﬁcation du transport 23 / 46

Transport entre PI et PII
Transport entre PII et l’octupole
Création de grand nuage et accumulation d’ions
Protocole de transport entre PI et PII
Distribution de potentiel
V1,2,3 = 1000V
Condition d’équilibre dans le minimum
∂Φ
∂z zmin(t)
= 0
⇒
Variation V2 pendant le transport
V2 (t) = −
V1φ1(z) + V3φ3(z)
φ2(z) zmin(t)
V1 ≈ V3 constant pendant le transport et V2 = V2(t)
24 / 46

fonction du transport
tg : durée du transport
zmin(t) =
L
2




tanh
8t
tg
− 4
tanh (4)
+ 1




D. Hucul et al, QIC, 2008
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
−15
−10
−5
0
5
10
15
t/tg
zmin[mm]
zmin PI
zmin PII
PII
PI
J. Pedregosa, C. Champenois, M. R. Kamsap and M. Knoop, IJMS, 2015 25 / 46

fonction du transport
tg : durée du transport
zmin(t) =
L
2




tanh
8t
tg
− 4
tanh (4)
+ 1




D. Hucul et al, QIC, 2008
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
−15
−10
−5
0
5
10
15
t/tg
zmin[mm]
zmin PI
zmin PII
PII
PI
potentiel pendant le transport
Φ (z, t) =
i=3
i=1
Vi (t) φi (z)
−20 −10 0 10 20
0
10
20
30
Φ(z)[V]
-20 -10 0 10 20
0
10
20
30
−20 −10 0 10 20
0
10
20
30
z [mm]
zmin
Potentiel
V1 PI PII V3V2(t)
t = tg/2
t = 0
t = tg
J. Pedregosa, C. Champenois, M. R. Kamsap and M. Knoop, IJMS, 2015 25 / 46

Protocole de transport entre PI → PII → PI
Évolution libre de la ﬂuorescence sur
le photomultiplicateur dans PI
0 0.5 1 1.5 2
0
2
4
6
8
10
12
x 10
4
Temps [s]
Fluorescence[coup/20ms]
PIPI PII
1
tf
durée de transport ∼ 100µs
1 liquéfaction du nuage et mesure
de N1
26 / 46

0 0.5 1 1.5 2
0
2
4
6
8
10
12
x 10
4
Temps [s]
PIPI PII
1
2
tf
de N1
2 évaporation et transport
PI→PII
26 / 46

0 0.5 1 1.5 2
0
2
4
6
8
10
12
x 10
4
Temps [s]
PIPI PII
1
4
2
3
tfta
de N1
PI→PII
3 thermalisation dans PII
4 vidage PI
26 / 46

0 0.5 1 1.5 2
0
2
4
6
8
10
12
x 10
4
Temps [s]
PIPI PII
1
6
5
4
2
3
tfta
de N1
PI→PII
4 vidage PI
5 transport retour PII → PI
6 thermalisation dans PI
26 / 46

0 0.5 1 1.5 2
0
2
4
6
8
10
12
x 10
4
Temps [s]
PIPI PII
1
6
7
5
4
2
3
tfta
de N1
PI→PII
4 vidage PI
5 transport retour PII → PI
6 thermalisation dans PI
de N2
Eﬃcacité du transport
P =
N2
N1
± (δ1)2 + (δ2)2
26 / 46

Départ de PI en fonction de tg pour VRF = 1045VPP
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
20
40
60
80
100
TauxdedépartdePI[%]
Départ PI et Détection PI
tg [µs]
V1=1200V
27 / 46

Pourquoi ne partent-ils pas ?
simulation de dynamique
moléculaire
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
10
5
0
−5
−10
t/t
g
z(mm)
PII
PI
190us
880us
1620us
par J. Pedregosa en 2014
27 / 46

Pourquoi ne partent-ils pas ?
simulation de dynamique
moléculaire
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
10
5
0
−5
−10
t/t
g
z(mm)
PII
PI
190us
880us
1620us
par J. Pedregosa en 2014
Remarque
transport asymétrique ⇒ Potentiel
de contact (analysé plus tard)
0 100 200 300 400 500 600 700
0
50
100
Tauxdedépart[%]
0 100 200 300 400 500 600 700
0
50
100
Départ PII et Détection PII
tg [µs]
27 / 46

Eﬃcacité du transport pour tg = 100µs
VRF = 1045VPP et VDC = 1200V
transport aller retour
10
3
10
4
10
5
70
75
80
85
90
95
100
N
Tauxdutransport[%]
∼ 100% pour N < 2000 ions
∼ 80% pour N > 5000 ions
28 / 46

Eﬃcacité du transport pour tg = 100µs
VRF = 1045VPP et VDC = 1200V
transport aller retour
10
3
10
4
10
5
70
75
80
85
90
95
100
N
Tauxdutransport[%]
∼ 100% pour N < 2000 ions
∼ 80% pour N > 5000 ions
transport aller simple PI-PII
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
70
75
80
85
90
95
100
N
TauxdetranportPI-PII[%]
PI-PII : 90%
PII-PI : 90%
M. R. Kamsap et al PRA 2015
Inﬂuence de tg sur le transport PI-PII
Stratégie : transport aller-retour PI-PII (tg ) et PII-PI
(100µs) 28 / 46

Transport PI-PII en fonction de tg
PI-PII (tg) et PII-PI (100µs)
100 200 300 400 500
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Fractiondesions[%]
tg [µs]
Dans PII
Dans PI
29 / 46

Transport PI-PII en fonction de tg
PI-PII (tg ) et PII-PI (100µs)
100 200 300 400 500
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Fractiondesions[%]
tg [µs]
Dans PII
Dans PI
Taux de perte pendant PI-PII
taux perte =
100% − (taux(PI-PII) + non départ PI)
100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
PertePI-PII[%]
tg [µs]
comment expliquer ces pertes ?
29 / 46

Chauﬀage du nuage pendant le transport
Durée de thermalisation comme diagnostique au chauﬀage
Signal PM après transport PI-PII
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Temps [s]
Signal[coups/ms]
tg1=1020µs
tg2=850µs
tf2
tf1
30 / 46

Chauﬀage du nuage pendant le transport
Durée de thermalisation comme diagnostique au chauﬀage
Signal PM après transport PI-PII
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Temps [s]
Signal[coups/ms]
tg1=1020µs
tg2=850µs
tf2
tf1
Temps de refroidissement
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
0
2
4
6
t
g
[ms]
Signal[kcoups/ms]
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
0
5
10 (a)
(b)
M. R. Kamsap et al PRA 2015
30 / 46

Caractérisation et évolution du potentiel de contact
Résultats asymétriques des transports dans les deux sens
potentiel de contact ⇒ dépôts de calcium neutre sur les
électrodes
Mesure par observation directe sur caméra ICCD
y − y0 ∝
1
V 2
RF
31 / 46

Caractérisation et évolution du potentiel de contact
Résultats asymétriques des transports dans les deux sens
potentiel de contact ⇒ dépôts de calcium neutre sur les
électrodes
Mesure par observation directe sur caméra ICCD
y − y0 ∝
1
V 2
RF
en 2013 VC1 = 39, 7 ± 1, 0 mV en 2014 VC2 = 42, 5 ± 1, 0 mV 31 / 46

Inﬂuence du potentiel statique sur le transport
Transport PI-PII
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
50
60
70
80
90
100
110
N
TauxPI-PII[%]
Mesures de 2013
Mesures de 2015
PI-PII 90% (en 2013) → 100% (en 2015) pour N ≤ 105 ions
utile pour l’octupole ? 32 / 46

Protocole de transport PII-PIII
Potentiel le long de l’axe
z [m]
V[eV]
Simion
ajustement
−0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
0
5
10
15
20
25
30
z [m]
V[V]
Simion
ajustement
PI PII PIII
potentiel DC de l’octupole
très écranté par les barreaux
du piège
J. Pedregosa et al , IJMS, 2010
33 / 46

Protocole de transport PII-PIII
Potentiel le long de l’axe
z [m]
V[eV]
Simion
ajustement
−0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
0
5
10
15
20
25
30
z [m]
V[V]
Simion
ajustement
PI PII PIII
potentiel DC de l’octupole
très écranté par les barreaux
du piège
J. Pedregosa et al , IJMS, 2010
potentiel pendant le transport
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Vi
Potentiel calculé
V4
V3
V5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
500
1000
1500
2000
2500
t/tg
Potentiel généré
Vi
33 / 46

minima de potentiel
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
t/tg
zmin[m]
min PII
min QO
min PIII
zm1(t)
zm2(t)
QO
PIII
PII
pour accélérer les ions : potentiel
statique ∆Vs sur les barreaux du
piège quadrupolaire
34 / 46

minima de potentiel
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
t/tg
zmin[m]
min PII
min QO
min PIII
zm1(t)
zm2(t)
QO
PIII
PII
pour accélérer les ions : potentiel
statique ∆Vs sur les barreaux du
piège quadrupolaire
Détection PIII f (∆Vs) pour N<50 000 ions
0 2000 4000 6000
0
20
40
60
80
100
∆Vs [mV]
TauxenPIII[%]
transport ∼ 90% pour N ≤ 50000
M. R. Kamsap et al en préparation
34 / 46

Inﬂuence du nombre d’ions
∆Vs = 1750mV
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
x 10
4
0
20
40
60
80
100
120
N initial en PII
Tauxd’ionenPIII[%]
1 pour ∆Vs = 1750mV
N < 30000 ions :∼ 100%
N > 50000 ions :∼ 45%
35 / 46

Création de grands nuages dans PI
Rappel : création en phase gazeuse
N détecté limité à 105
ions
⇒ difficulté de refroidir des grands nuages
⇒ puissance de refroidissement faible
PB ≤ 2mW
Limite du système : chauffage RF ?
Chauffage RF avec N (distance au centre)
Compromis entre VRF et nc car nc ∝ V 2
RF
Conséquence : N limité
Alternative : création en phase liquide
36 / 46

B. Dubost, Thèse doctorale 2012
∼ 200 ions créés + liquéfaction
création sur nuage liquide
résultat pour deux Tfour
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
0
2
4
6
8
10
12
x 10
4
N
T1 = 310o
C
T2 = 295o
C
Évaporation à 1, 2.105
ions
faible refroidissement PB=1,5mW
Autre stratégie pour grand nuage
=⇒ Accumulation dans PII et PIII 37 / 46

Principe de la méthode d’accumulation des ions
Transport asymétrique dans les deux sens
0 100 200 300 400 500 600 700
0
50
100
Tauxdedépart[%]
0 100 200 300 400 500 600 700
0
50
100
Départ PII et Détection PII
tg [µs]
Non coïncidence entre les
départs de PI et de PII
des durées de transport tg = 200,
300, 500 ... µs
création PI et accumulation dans
PII ou PIII
38 / 46

Résultats des mesures d’accumulation dans PII
avec refroidissement laser
0 5 10 15 20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x 10
5
Nombre de cycles de transport
Nombred´ionsenPII
tC=50s
tC=25s
tC=15s
sans refroidissement laser
0 1 2 3 4 5
200
400
600
800
1000
Nombred´ionsenPII
NP I = 900
NP I = 1300
39 / 46

Résultats des mesures d’accumulation dans PII
avec refroidissement laser
0 5 10 15 20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x 10
5
NombredíonsenPII
tC=50s
tC=25s
tC=15s
sans refroidissement laser
0 1 2 3 4 5
200
400
600
800
1000
NombredíonsenPII
NP I = 900
NP I = 1300
M. R. Kamsap et al, Brevet Europeen
M. R. Kamsap et al, EPL, 2015
Intérêts
mélange des espèces différentes
grand nuage d’ions NPII=250000
ions et dans l’octupole
39 / 46

Observation dans ions dans le piège octupolaire
Défauts dans les multipoles
Dynamique dans les minima locaux
Structure d’un nuage d’ions froid en multipole idéal
Petit nuage : anneaux
Grand nuage : tube
(Simulation de M. Marciante 2012)
40 / 46

Structure d’un nuage d’ions froid en multipole idéal
Petit nuage : anneaux
Grand nuage : tube
(Simulation de M. Marciante 2012)
Observation expérimentale dans l’octupole
vue de dessus le long de l'axe z Vue de face dans le plan (x,y)
40% 50%
10%
min2
min2
min1
min3
min3
min1
observation de 3 nuages
d’ions dans deux plans de
mise au point⇒ minima
locaux
→ défaut dans la
géométrie du potentiel
(10 minima dans 22-pôles : R. Otto et al J. Phys. B. 2009) 40 / 46

Analyse des défauts : pourquoi 3 minima dans l’octupole ?
multipole parfait
E0k(r) ∝ rk−1
une seule racine d’ordre (k − 1)
multipole avec symétrie brisée
E0k(r) = Pk−1(r)
k − 1 racine ⇒ k − 1 minima
41 / 46

Analyse des défauts : pourquoi 3 minima dans l’octupole ?
multipole parfait
E0k(r) ∝ rk−1
une seule racine d’ordre (k − 1)
multipole avec symétrie brisée
E0k(r) = Pk−1(r)
k − 1 racine ⇒ k − 1 minima
Simulation avec un déplacement de 2% sur le barreau (y = 0, xmax )
2k = 22: 10min
−3 −2 −1 0 1 2 3
x 10
−3
−3
−2
−1
0
1
2
3
x 10
−3
x [m]
2k = 12: 5min
−3 −2 −1 0 1 2 3
x 10
−3
−3
−2
−1
0
1
2
3
x 10
−3
2k = 8: 3min
y[m]
−3 −2 −1 0 1 2 3
x 10
−3
−3
−2
−1
0
1
2
3
x 10
−3
41 / 46

Hypothèse : minima locaux harmoniques
Fréquences d’oscillation : excitation paramétrique
ωz/2π = (3, 1 ± 0, 05)
VDC
2000
(kHz) ωx /2π = (157 ± 1)
VRF
2000
(kHz)
42 / 46

Hypothèse : minima locaux harmoniques
Fréquences d’oscillation : excitation paramétrique
ωz/2π = (3, 1 ± 0, 05)
VDC
2000
(kHz) ωx /2π = (157 ± 1)
VRF
2000
(kHz)
Rapport d’aspect du nuage α = R/L
ω2
z
ω2
r
= ρ(α)
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0.01
0.015
0.02
VRF [VPP ]
α
Mesure géométrique
Loi théorique
Hypothèse harmonique vérifiée
L ∼ 60mm detecteur ICCD ⇒ N = f (α, R)
(M. R. Kamsap et al en préparation )
42 / 46

Petit nuage d’ions dans les minima : chaîne-zigzag
Observation expérimentale
ω2
z
ω2
r
= ρ
ρ > ρc chaîne d’ions
ρ > ρc zigzag d’ions
1 mm
43 / 46

Petit nuage d’ions dans les minima : chaîne-zigzag
Observation expérimentale
ω2
z
ω2
r
= ρ
ρ > ρc chaîne d’ions
ρ > ρc zigzag d’ions
1 mm
Comparaison expérience / modèle ﬂuide dans une chaîne
distance entre proche voisin
a(z) = f (z, N, L)
(D. H. E. Dubin et al Phys. Rev.
Lett 1993 )
−2000 −1500 −1000 −500 0 500 1000 1500 2000
0
20
40
60
80
100
z [pixels]
a[pixels] aexp(z)
a(z) th´eorique
Validation de la loi théorique sur une grande chaîne 155 ions
M. R. Kamsap et al en préparation 43 / 46

Conclusion générale
Création par photo-ionisation
des ions en PI
N ∼ 120 000 ions
44 / 46

des ions en PI
N ∼ 120 000 ions
Transport PI-PII très rapide
∼100µs (23mm)/ temps
adiabatique (∼ secondes )
90% pour N ≤ 100000 ions
44 / 46

des ions en PI
N ∼ 120 000 ions
90% pour N ≤ 100000 ions
ajout du potentiel statique
transport asymétrique
⇒ 100%, N ∼ 100000 ions
44 / 46

des ions en PI
N ∼ 120 000 ions
90% pour N ≤ 100000 ions
⇒ 100%, N ∼ 100000 ions
Transport PII-octupole
100% pour N ≤ 30000 ions
44 / 46

des ions en PI
N ∼ 120 000 ions
90% pour N ≤ 100000 ions
⇒ 100%, N ∼ 100000 ions
100% pour N ≤ 30000 ions
Accumulation des ions
en PII :N ∼ 250 000 ions
en PIII :N ∼ 250 000 ions
44 / 46

des ions en PI
N ∼ 120 000 ions
90% pour N ≤ 100000 ions
⇒ 100%, N ∼ 100000 ions
100% pour N ≤ 30000 ions
Sans refroidissement laser
44 / 46

des ions en PI
N ∼ 120 000 ions
90% pour N ≤ 100000 ions
⇒ 100%, N ∼ 100000 ions
100% pour N ≤ 30000 ions
Sans refroidissement laser
Ions froids en octupole
trois minima locaux
minima harmoniques
44 / 46

Perspectives à ce travail
Optimiser les paramètres pour la création de 107 ions
Puissance du laser de refroidissement
45 / 46

Rendre possible le transport de l’octupole au quadrupole
Ajout d’électrodes pour favoriser le déplacement des ions
45 / 46

Rendre possible le transport de l’octupole au quadrupole
Ajout d’électrodes pour favoriser le déplacement des ions
Compensation des défauts en piège octupolaire
Par des combinaisons des tensions statiques
(travaux en cours au laboratoire)
45 / 46

46 / 46

diapo_presentation_these_Kamsap

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (6)

Destaque

Destaque (20)

Semelhante a diapo_presentation_these_Kamsap

Semelhante a diapo_presentation_these_Kamsap (20)

diapo_presentation_these_Kamsap