Alternative TitleStudy of inelastic collisions between an atom and an ion in Li-Ca+ hybrid system
Note (General)Recent developments in cold atomic system based on the laser cooling technique make it possible to control quantum state of atomic ensemble or single atomic particle. This precious control technique creates additional interests in development of manipulation method of collision including inelastic collisions and chemical reaction process between state controlled atoms, ions or molecules.Manipulation of state to state reaction process can provide great progress of synthesis technology and fundamental physics. Chapter 1 introduces like this background and target of this study. We investigate inelastic collision including elementary step of chemical reaction between quantum state controlled an atom and an ion in nearly absolute zero temperature against the background discussed above. To realize observing the precious controlled inelastic collisions in cold and ultracold regime, we developed ultracold 6Li-40Ca+ hybrid system. This system consists combination of laser cooled Li atomic gas and laser cooled Ca+ions in an ion trap. This atomion hybrid system has attracted attention as new platform to study inelastic collision in cold to ultracold regime. Chapter 2 to 4 review property and basic technique of cold atomic gas and trapped ions and introduce the experimental setup of our hybrid system. In chapter 5, to reveal inelastic collision mechanism, we systematically investigate charge-exchange process between a lithium atom and a calcium ion. Energy dependence of charge-exchange cross section is measured in every selected internal state of Ca+ by optical pumping. Controlling collisional energy is achieved with a deliberately excited micromotion of ions in the RF ion trap. We find out charge-exchange collision mechanism in collision energy range of milliKelvin to Kelvin is explained by Langevin collision from this energy dependence measurement. Charge-exchange cross section changes depending on internal state of calcium ions. To analyze this internal state dependence of charge-exchange reactivity, we compare the measured results and calculated potential energy curves and identify the route of charge-exchange process in Ca+D state. Moreover, chapter 5 introduces another experiment of spin dependence of inelastic collisions. Chapter 6 shows summary of this study and discuss about future plan and outlook. レーザー冷却技術は絶対零度近傍の中性原子集団およびイオントラップ装置によって捕獲された原子イオンの生成を可能した．一方で冷却中性原子と冷却イオンは同じような実験技術を背景としながらも両者を同一の実験装置内で捕獲し，相互作用あるいは結合させる実験は長らく試みられてこなかった．近年，冷却中性原子集団とイオントラップ中の冷却イオンを一つの実験系で捕獲し，両者の相互作用に注目した研究が発表されるようになった．こうした系を原子-イオン混合系と呼んでおり，原子-イオン間が引き起こす散乱現象を利用して極低温における化学反応の研究や固体のシミュレーションといった展開に期待が持たれている． 冷却原子-イオン混合系の特徴として原子およびイオンの量子状態を実験者が任意に選択可能であることがあげられる．通常，常温での原子-イオン間散乱を想定した時，様々な始状態が分布しており，得られる終状態も個々の状態同士の散乱の結果生じた終状態が混ざり合っている．すなわち散乱現象ひいては化学反応過程の根本的な理解にはそれぞれの状態を選別することが重要と言える．その点，レーザー冷却により絶対零度近傍まで冷却された中性原子あるいはイオンの状態はレーザー光によって精密に制御することが可能である．そこで本研究では，リチウム原子とカルシウムイオンからなる原子-イオン混合系を構築し，両者の状態を制御した際の非弾性散乱に関する研究を行った．こうした実験および実験技術の確立は散乱過程の理解といった興味はもちろん，化学反応過程の量子的制御といった研究における第一歩と言える．以上のような背景と目的について第１章に詳述した． 第２章と第３章に本研究の基礎事項と理論的背景について記述する．それぞれ原子-イオン間の相互作用とカルシウムイオンを捕獲するために用いたイオントラップの原理についてそれぞれで記した． 実験に使用したリチウム原子-カルシウムイオン混合系について記述する．実験系は既存の実験技術を組み合わせることで構築した．高周波を用いて荷電粒子を捕獲するリニアパウルトラップによって光イオン化したカルシウムイオン（40Ca+）を捕獲し，ドップラー冷却によって絶対零度近傍まで冷却した．一方のリチウム原子（6Li）はリチウムの固体を熱して熱原子線を生成し，ゼーマン減速器を経て磁気光学トラップにて冷却および捕獲を行った．その後リチウム原子を光トラップに移行し，カルシウムイオンと相互作用させるために光ピンセット技術を用いて冷却されたリチウム原子集団を捕獲したイオンまで輸送した．混合された原子とイオンの散乱前後の状態の変化からどのような散乱過程を起きたかを検出した．リチウム原子は吸収撮像法にて観測し，カルシウムイオンは冷却光の散乱光を観測することで行った．これらの実験装置と技術は第４章にて記述する． 原子-イオン間非弾性散乱の一つに電荷交換散乱があげられる．この過程はリチウム原子に束縛された電子がカルシウムイオンに飛び移る現象であり，化学反応素過程の一つである．電荷交換散乱の詳細を検証するために散乱断面積のエネルギー依存性とカルシウムイオンの内部状態依存性を測定した．以下に簡潔に記述する． 散乱断面積のエネルギー依存性を測定するためには原子-イオン間の散乱エネルギーを制御する必要がある．そこでイオントラップ中に捕獲したカルシウムイオンの運動エネルギーを制御する手法を開発した．イオントラップ中のイオンの運動は永年運動とマイクロモーションに分離できる．永年運動はレーザー冷却によって冷却することができるが，マイクロモーションは捕獲に用いる高周波によって直接駆動されている運動でレーザー冷却することができない．通常，マイクロモーションは最小になるように高周波電場の鞍点でイオンを捕獲するが，外部電場を加えることで捕獲点と鞍点をずらすことで誘起することができる．マイクロモーションが増大したイオンが発する蛍光スペクトルはドップラー広がりとは異なり特徴的なスペクトル形状を呈する．このスペクトルを用いてマイクロモーションエネルギーを較正した． また，一方のカルシウムイオンの内部状態はレーザー光ポンピングで選択した． 測定した散乱断面積のエネルギー依存性から散乱のメカニズムはランジュバン散乱で説明でき，測定エネルギー領域では古典的な散乱であることを示した．また，散乱断面積はカルシウムイオンの内部状態ごとに異なった．この内部状態間の反応性の差がポテンシャルエネルギー曲線の状態間の結合の有無によって説明できることを共同研究により明らかにした．これらの結果を第５章に記した． 以上のように本研究では内部状態による反応性の違いを見出し，それを個々の状態におけるポテンシャルエネルギー曲線から説明した．これは本来，散乱過程がそれぞれの状態ごとに理解されるべきであることを端的に示した結果と言える．本研究で得られた知見は非弾性散乱過程の理解に加え，実験者による散乱過程の制御手法の開発といった観点からも有益であると考えられる． 第６章では上に示したような成果をもとに本研究のまとめと今後の展望について言及した．
2017
Collection (particular)国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文
Date Accepted (W3CDTF)2018-05-04T12:13:37+09:00
Data Provider (Database)国立国会図書館 : 国立国会図書館デジタルコレクション