Numerical analysis of motional mode coupling of sympathetically cooled two-ion crystals

A two-ion pair in a linear Paul trap is extensively used in the research of the simplest quantum-logic system; however,there are few quantitative and comprehensive studies on the motional mode coupling of two-ion systems yet. This study proposes a method to investigate the motional mode coupling of sympathetically cooled two-ion crystals by quantifying three-dimensional(3 D) secular spectra of trapped ions using molecular dynamics simulations. The 3 D resonance peaks of the ~(40)Ca~+ – ~(27)Al~+ pair obtained by using this method were in good agreement with the 3 D in-and out-of-phase modes predicted by the mode coupling theory for two ions in equilibrium and the frequency matching errors were lower than 2%.The obtained and predicted amplitudes of these modes were also qualitatively similar. It was observed that the strength of the sympathetic interaction of the ~(40)Ca~+ – ~(27)Al~+ pair was primarily determined by its axial in-phase coupling. In addition,the frequencies and amplitudes of the ion pair's resonance modes(in all dimensions) were sensitive to the relative masses of the ion pair, and a decrease in the mass mismatch enhanced the sympathetic cooling rates. The sympathetic interactions of the ~(40)Ca~+ – ~(27)Al~+ pair were slightly weaker than those of the ~(24)Mg~+– ~(27)Al~+ pair, but significantly stronger than those of ~9Be~+ – ~(27)Al~+ . However, the Doppler cooling limit temperature of ~(40)Ca~+ is comparable to that of ~9Be~+ but lower than approximately half of that of ~(24)Mg~+. Furthermore, laser cooling systems for ~(40)Ca~+ are more reliable than those for ~(24)Mg~+and ~9Be~+ . Therefore, ~(40)Ca~+ is probably the best laser-cooled ion for sympathetic cooling and quantum-logic operations of ~(27)Al~+ and has particularly more notable comprehensive advantages in the development of high reliability, compact, and transportable ~(27)Al~+ optical clocks. This methodology may be extended to multi-ion systems, and it will greatly aid efforts to control the dynamic behaviors of sympathetic cooling as well as the development of low-heating-rate quantum logic clocks.     

icMRCI+Q理论研究BF~+离子电子态的光谱性质和预解离机理

采用考虑Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(icMRCI+Q)方法,结合相关一致基组aug-ccpV5Z和aug-cc-pV6Z,计算了BF+离子前两个离解极限B~+(~1S_g)+(~2P_u)和B+(~3P_u)+F(~2P_u)对应的14个Λ-S态(X~2Σ~+,1~2Π,2~2Π,2~2Σ~+,1~4Σ~+,1~4△,1~4Σ~-,1~2△,1~2Σ~-,3~2Σ~+,1~4Π,2~4Π,2~4Σ~+和3~2Π)和30个Ω态的势能曲线.在势能曲线的计算中,考虑了旋轨耦合效应、核价相关和标量相对论修正以及将参考能和相关能分别外推至完全基组极限.基于得到的势能曲线,获得了束缚和准束缚的12个A-S态和28个Ω态的光谱常数,并且X~2Σ~+态的光谱常数与已有的实验结果符合.此外,计算了BF分子X~1Σ~+态到BF+离子X~2Σ~+,1~2Π和2~2Σ~+态的垂直电离势和绝热电离势,并且BF~+(X~2Σ~+)←BF(X~1Σ~+)的垂直电离势和绝热电离势与相应的实验结果非常符合.由X~2Σ~+,2~2Π,1~4Σ~+,3~2Σ~+和3~2Π态和其他的激发A-S态势能曲线的交叉现象,借助于计算的旋轨耦合矩阵元,首次分析了X~2Σ~+和3~2Π态的预解离机理以及2~2Π(v′≥9),1~4Σ~+(v′≥4)和3~2Σ~+(v′≥4)的振动能级受到其他电子态的微扰.计算了30个Ω态离解极限处的相对能量,并且与实验结果十分符合.最后计算了2~2Π(v′=0—9)—X~2Σ~+,2~2Σ~+(v′=0—2)—X~2Σ~+,(3)1/2—(1)1/2~(势阱一)和(2)3/2(v′=0—9)—(1)1/2~(势阱一)跃迁的Franck-Condon因子、爱因斯坦自发辐射系数和辐射寿命.     

YAlO3晶体中pr3+的4f2能级

YAlO3∶pr3+是一种受到广泛关注的发光体系,本文根据文献中给出的YAlO3∶pr3+晶体中Pr3+的晶体场能级,从Nd3+离子的晶体场参数和Pr3+的准自由离子参数出发,采用f-shell计算软件包对pr3+的能级参数进行了研究,并对获得的参数进行了讨论.用拟合获得的参数计算了pr3+的4f2电子构型的所有能级.     

Er3+单掺和Er3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃的光谱性质及能量传递

采用高温熔融法制备了新型Er3+单掺和Er3 +/Yb3+共掺的TeO2-Bi2O3-SiO2-B2O3玻璃,测试并分析了样品的吸收光谱、发射光谱以及Er3 +/Yb3共掺杂样品的发射光谱和荧光寿命.计算出了玻璃的J-O强度系数Ωt(t=2,4,6);系统讨论了Er3+/Yb3+共掺杂样品在808 nm激光激发下,Yb...     

在NaGdF4：Tm3+, Dy3+中Gd3+间的能量迁移及Gd3+-Dy3+能量传递量子效率

基于量子剪裁基本原理,通过光谱技术研究NaGdF₄:Tm³⁺,Dy³⁺在一个真空紫外光子激发下获得两个蓝色光子的可能性。在这种化合物中,量子剪裁通过下转换,即通过应用不同镧系离子间的能量传递进行。通过对Tm 4f¹²-4f¹¹5d激发,部分能量从Tm³⁺离子5d态直接传递给Gd³⁺,然后在Gd³⁺-Tm³⁺之间发生交叉弛豫,剩余能量从Gd³⁺传递给Dy³⁺,产生两个可见光子发射,一个来自Tm³⁺的¹G₄-³H₆跃迁,另一个来自Dy³⁺的⁴F_9/2-⁶H_15/2跃迁。主要研究获得以NaGdF₄:Tm³⁺,Dy³⁺为基础的新型具有更高效率,更高稳定性和更强真空紫外(VUV)吸收量子剪裁发光粉的可能性。各种光谱技术,如光致发光、激发和衰减等被用来表征不同Dy³⁺浓度掺杂NaGdF₄中Gd³⁺晶格间能量迁移引起的施主Gd³⁺和受主Dy³⁺之间的能量传递。结果表明Gd³⁺离子之间存在能量迁移,随之交换相互作用引起施主与受主(Gd³⁺-Dy³⁺)之间的能量传递。通过Bursh-tein等人关于激发态的弛豫理论,施主-受主能量传递参数k_DS可以从Gd³⁺的⁶P_7/2发射的衰减计算出。Gd³⁺-Dy³⁺能量传递量子效率也可以得到。NaGdF₄:Tm³⁺和NaGdF₄:Tm³⁺,Dy³⁺是由水热法制备的,NaGdF₄:Dy³⁺是由文献[4]方法制备的。发射光谱和激发光谱通过自制的VUV光谱仪和F-4500测量。衰减曲线由OPO激光器激发获得Gd³⁺-Dy³⁺之间能量传递量子效率在受主浓度大约在N_A=0.6%时达到最佳值,并且明显地观测到浓度猝灭效应。     

Al2O3吸附[Cu(H2O)6]2+基团的自旋哈密顿参量和四角畸变

采用微扰方法和对角化完全能量矩阵法计算了Al₂O₃粉末吸附的四角对称[Cu(H₂O)₆]²⁺基团的自旋哈密顿参量（g因子g∥,g_⊥和超精细结构常数A_∥和A_⊥）. 计算结果表明用这两种理论方法计算的自旋哈密顿参量很接近,并且都与实验结果比较一致. 表明这2种方法都可用于晶体中3d9离子基团的自旋哈密顿参量的研究,通过计算,我们还获得了[Cu(H₂O)₆]²⁺基团四角畸变的大小,并对结果进行了讨论.     

三元硅酸盐玻璃相中Al3+离子结构状态的MAS NMR谱研究

采用魔角旋转核磁共振谱(MAS NMR)技术对CaO-Al₂O₃-SiO₂ 三元铝硅酸盐玻璃(简称CAS) 中Al³⁺ 离子的占位进行了系统的定量研究，获得下列结论： 
1. Al³⁺在硅酸盐熔体中，大部分进入四面体替代[SiO₄]^4- 中的Si，成为网络形成子. 另有小部分Al³⁺ 在网络骨架之间，以六配位、五配位和其他配位形式成为网络的修饰子.
2. 设η=N(Al³⁺_IV/N(ΣAl)，即考察区域内，四配位Al³⁺离子数与全部Al³⁺离子数之比. 设γ=N(ΣAl)/N(ΣSi)，即考察区域内全部Al³⁺ 离子数与全部Si⁴⁺离子数之比. 则单位四面体的非桥氧数（O_nb/T）与η成反比. 对于不同的γ值，O_nb/T下降的速率不同. γ值越大，下降的速率也越大.     

ZBLAN玻璃中Pr3+掺杂离子3P0和1D2能级的发光特性和寿命

对ZBLAN氟锆酸盐玻璃中Pr³⁺掺杂离子³P₀和¹D₂能级的寿命和发光特性进行了较详细的光谱学研究。首先测量了两种掺杂浓度(质量分数分别为1×10^-3,5×10^-3)的Pr³⁺:ZBLAN玻璃的吸收光谱,然后运用时间分辨激光光谱技术测量了³P₀和¹D₂能级在激光单光子共振激发下的荧光发射谱和能级寿命。将不同荧光发射谱带的强度和文献报道的Judd Ofelt理论计算辐射跃迁几率数值做了比较分析,证明了文献中理论计算结果的可靠性。由于浓度猝灭效应,在相同的激发条件下,掺杂浓度为1×10^-3样品的荧光发射强度明显大于5×10^-3样品的荧光发射强度。但是从我们的测量结果看,掺杂浓度对³P₀和¹D₂ 的能级寿命值无显著影响。掺杂浓度为1×10^-3时,Pr³⁺离子³P₀和¹D₂能级的寿命值分别为46,322μ_s。     

钇镓石榴石中Tb3+到Ce3+的无辐射能量传递特征

在Y₃Ga₅O₁₂石榴石中,室温下采用紫外激光选择激发光谱研究了能量从Tb³⁺的⁵D₃和⁵D₄能级无辐射传递给Ce³⁺的²D_3/2能级。实验结果符合Frster-IH直接无辐射传递理论。⁵D₃(Tb³⁺)→²D_3/2(Ce³⁺)能量传递是电偶-偶极子相互作用机理,其平均临界传递距离为R₀=16.3?,而⁵D₄(Tb³⁺)→²D_3/2能量传递是起主导作用的电偶-偶极子相互作用,其平均临界传递距离为11.2?。在⁵D₄的传递过程中,电偶-四极子相互作用也应予以考虑。 关键词：     

Ce3+,Tb3+共掺BaYF5微晶玻璃的光学特性

采用高温熔融法制备了一种新型的Ce3 +/Tb3+共掺BaYF5微晶玻璃.测试了微晶玻璃的X射线衍射图(XRD)谱、激发光普和发射光谱.研究发现:660℃热处理2h后的玻璃基质中析出BaYF5纳米晶相,根据XRD结果用Scherrer公式计算得到晶粒大小约为27 nm;在近紫外光(338 nm)激发下,观察到BaYF5...     

共掺杂Ce~(3+)调控β-NaLuF_4:Yb~(3+)/Ho~(3+)纳米晶体的上转换荧光发射

在980 nm近红外光激发下,通过共掺杂Ce~(3+)离子调控六方相NaLuF_4:Yb~(3+)/Ho~(3+)纳米晶体的上转换荧光发射.实验结果表明,当掺杂Ce~(3+)离子浓度从0增加到12.0%时,Ho~(3+)离子的上转换荧光发射实现了由绿光向红光的转变,其红绿比提高了近24倍.根据Ho~(3+)离子的能级结构发现,Ho~(3+)离子的红光发射源自~5F_5能级到5I8能级的辐射跃迁,因此要增强红光发射,必须提高该能级粒子数布居.Ho~(3+)与Ce~(3+)离子之间相近的能级差促使它们之间产生了共振交叉弛豫,从而有效地提高了Ho~(3+)离子~5F_5能级的粒子数布居,增强了红光发射.同时对Ho~(3+)离子的上转换调控机理进行讨论,并借助不同的激发策略,进一步证实了Ho~(3+)与Ce~(3+)离子之间相互作用的发生.     

不同波长激发下YLiF4：Er3+,Tm3+,Yb3+的发光

水热法合成了YLiF₄:Er³⁺,Tm³⁺,Yb³⁺,其中Er³⁺、Yb³⁺和Tm³⁺的摩尔分数分别为1%、1.5%和2%。当用355nm光激发时,其发光为蓝色,峰值位于450nm,对应于Tm³⁺的¹D₂→³F₄跃迁。用378nm激发时,发光为绿色,主要发光峰位于552nm。980nm光激发时,发光为白色,发光峰分别位于665(651),552(543),484,450nm处,并在648nm处还观察到了一个发光峰,其中最强的发射为红光。YLiF₄:Er³⁺,Tm³⁺,Yb³⁺的蓝光来源于Tm³⁺的激发态¹G₄到基态³H₆的跃迁,绿光来源于Er³⁺的⁴S_3/2和²H_11/2到基态⁴I_15/2的跃迁,红光既来源于Tm³⁺的¹G₄→³F₄的跃迁,也来源于Er³⁺的⁴F_9/2→⁴I_15/2的跃迁。在上转换发光中,还探测到了紫外光359nm的发射。监测665nm得到的激发光谱不同于监测552nm的激发光谱,在665nm的激发光谱中出现了对应Tm³⁺的¹G₄能级的峰。在双对数曲线中,蓝光484nm、绿光552nm和红光665nm的斜率分别为2.25、2.28和2.21,紫外光359nm的斜率为2.85。因此在980nm激发下,蓝光484nm、绿光552nm和红光665nm都是双光子过程,紫外光359nm的发射是三光子过程。     

Y3+和Gd3+对LaBO3:Eu3+发光粉结构和发光性能的影响

采用溶胶凝胶-燃烧法合成了系列不同掺杂浓度Y³⁺和Gd³⁺的LaBO₃∶Eu³⁺发光粉,对其结构、形貌和发光性能进行了表征。XRD研究结果表明：发光粉的结构与基质掺杂离子的种类和掺杂浓度有关系。荧光光谱结果表明：适量比例Y³⁺和Gd³⁺离子掺杂将提高LaBO₃∶Eu³⁺发光粉的发光强度。Y³⁺和Gd³⁺离子最佳掺杂摩尔分数分别为1.5%和12.5%。⁵D₀→⁷F₂与⁵D₀→⁷F₁跃迁发射的相对强度比值说明：掺杂改变LaBO₃∶Eu³⁺中Eu³⁺局域环境的对称性。发光性能改变主要受晶体结构、掺杂离子电负性影响。Gd³⁺离子掺杂更有利于发光粉结构稳定性和发光性能的改善。     

Er3+,Yb3+共掺杂SrTiO3超细粉末的可见上转换发光

钛酸锶(SrTiO₃)具有高介电常数、良好的绝缘性质、优良的物理化学稳定性和在可见光范围内的优异的透明度等优点,是一种重要的无机功能材料。近年来,Al³⁺,Ga³⁺等离子共掺杂的SrTiO₃:Pr³⁺做为一种优异的红色场发射显示(FED)荧光粉引起了人们的兴趣。另外,SrTiO₃具有相对较小的声子频率,因而它可以作为一种有利于上转换发光的基质材料。以NaCl为助熔剂制备了Er³⁺,Yb³⁺共掺杂的SrTiO₃超细粉末。在980nm激发下,样品发出很强的来自于Er³⁺离子的²H_11/2→⁴I_15/2,⁴S_3/2→⁴I_15/2(绿光)和⁴F_9/2→⁴I_15/2(红光)跃迁的上转换发光。Yb³⁺离子的共掺杂对Er³⁺离子的上转换发光起明显的增强作用。研究了上转换发光强度与稀土离子浓度以及激发光强度之间的依赖关系,表明在Er³⁺单掺杂和Er³⁺,Yb³⁺共掺杂的样品中,绿光和红光都是被双光子激发过程激发的。还对上转换发光的机理做了初步分析。     

Nd~(3+):SrY_2O_4粉体的制备、结构与光谱性能研究

为探索新型激光晶体,采用固相法合成了(3 at.%)Nd~(3+):SrY_2O_4多晶,对其结构和发光性质进行了研究.对样品的X射线衍射谱进行Rietveld精修得到了样品的晶胞参数、原子位置等.在353 nm激发下,Nd~(3+):SrY_2O_4在可见波段的最强荧光峰位于419 nm,对应Nd3+的2D15/2→4I9/2跃迁.在824 nm激发下,Nd3+的4F3/2→4I11/2跃迁的荧光谱带宽约为90 nm,最强峰为1083 nm,荧光寿命为281.7μs.宽发射光谱和长的能级寿命表明,Nd~(3+):SrY_2O_4是一种很有希望的新波长激光二极管抽运超短脉冲激光材料.     

Er3+/Yb3+共掺NaYF4/LiYF4微米晶体的上转换荧光特性

采用水热法成功制备了Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的NaYF₄和LiYF₄微米晶体. 通过X射线衍射仪和环境扫描电子显微镜对样品的晶体结构及形貌进行表征. 实验结果表明: 六方相NaYF₄微米晶体为棒状结构, 而四方相LiYF₄微米晶体则为八面体结构. 在近红外光980 nm激发下, NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺和LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ 微米晶体均展现出很强上转换荧光发射. 且NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺微米晶体的荧光发射强度大约是LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺微米晶体的2倍, 但红绿比明显较低. 根据荧光光谱, 并借助激光光谱学及发光动力学深入探讨基质变化及表面修饰剂乙二胺四乙二酸(EDTA)对荧光特性的影响. 实验结果发现: 影响荧光强度的主要因素是基质环境的局域对称性, 而导致不同红绿比则是由于样品表面较多的EDTA分子所引起. Er³⁺掺杂的NaYF₄和LiYF₄ 微米晶体呈现出很强的绿光发射可被应用于全色显示, 荧光粉和微光电子器件中.     

热退火对SiO2：Er薄膜发光特性的影响

利用离子注入法制备SiO₂:Er样品,并在不同温度下进行退火处理。通过微区拉曼光谱、吸收光谱、X射线光电子能谱等手段对其进行结构表征,并进行了室温和变温的光致发光特性研究,得到了可见区和红外区的光致发光。其中,⁴S_3/2→⁴I_15/2的发光强度随温度的升高,先增强后减弱,呈现出反常的温度淬灭效应,此现象是由Er³⁺与SiO₂的缺陷之间的能量传递造成的。     

Potential energy curves,transition dipole moments,and radiative lifetimes of KBe molecule

An ab initio calculations on the ground and low-lying excited states(X~2Σ+, 2~2Σ+, 3~2Σ+, 1~4Π, 2~4Π, 1~4Σ~+, 2~4Σ~+,and 3~4Σ~+) of KBe molecule have been performed using multireference configuration interaction(MRCI) plus Davidson corrections(MRCI+Q) approach with all electron basis set aug-cc-p CV5Z-DK for Be and def2-AQZVPP-JKFI for K.The 3~2Σ+, 1~4Π, 2~4Π, 1~4Σ~+, 2~4Σ~+, and 3~4Σ~+states are investigated for the first time. Inner shell electron correlations are computed on the potential energy curves(PECs) calculations. The spectroscopic and molecular parameters are also predicted. In addition, The transition properties including transition dipole moment, Franck–Condon factors qv'v', Einstein coefficients Av'v', and the radiative lifetimes τυ for the 2~2Σ~+–X~2Σ~+, 3~2Σ~+–X~2Σ~+, and 2~4Π–1~4Π transitions are predicted at the same time.     

icMRCI+Q理论研究CF离子12个-S态和23个?态的光谱性质

采用考虑Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(icMRCI+Q)方法结合相关一致基组aug-ccpV5Z和aug-cc-pV6Z计算了CF~+离子第一离解极限C~+(~2p_u)+F(~2P_u)对应的12个∧-S态(X~l∑~+,a~3∏,1~3∑~+,1~3Δ,1~1∑~-,1~1∑~-,1~3∑~-,2~1∑~+,1~1∏,2~3∏,2~1∏和2~3∑~+)所产生的23个Ω态的势能曲线.计算中考虑了旋轨耦合效应、核价相关和标量相对论修正以及将参考能和相关能分别外推至完全基组极限.基于得到的势能曲线,获得了束缚和准束缚的9个∧-S态和16个Ω态的光谱常数,并且X~1∑~+,a~3∏~(势阱一)∧-S态的光谱常数与已有的实验结果非常符合.此外,计算了CF自由基X~2∏态到CF~+离子束缚和准束缚的9个∧-S态的垂直电离势和绝热电离势,并且CF~+(X~1∑~+)←CF(X~2∏)和CF~+(a~3∏(势阱一))←CF(X~2∏)的垂直电离势和绝热电离势与相应的实验结果也非常符合.由a~3∏,1~1∏态和其他激发∧-S态势能曲线的交叉现象,借助于计算的旋轨耦合矩阵元,分析了a~3∏~(势阱一),1~1∏~(势阱一)和2~1∑~+态的预解离机理.计算的23个Ω态离解极限处的相对能量与实验结果十分吻合.最后计算了(2)0+~(势阱一)(v'=0-5),(1)1~(势阱一)(v'=0-5)和(2)1~(势阱一)(v'=0)到X0~+态跃迁的Franck-Condon因子和辐射寿命.     

中能Ne~(4+)离子诱导的羰基硫分子三体碎裂动力学分析

利用反应显微成像谱仪开展了56 keV/u的Ne~(4+)离子与羰基硫(OCS)气体的交叉碰撞实验,研究了Ne~(4+)离子诱导的OCS~(3+)的碎裂动力学.通过符合探测三个末态离子,重构了OCS~(3+)离子三体碎裂对应的牛顿图和Dalitz图,并明确区分了直接解离和次序解离两种碎裂过程.重构了OCS~(3+)离子解离过程的动能释放(KER)分布,发现其峰值在25 eV处,同时在18 eV处有肩膀结构的存在,其中25 eV左右的峰来源于直接解离过程,18 eV处的肩膀结构来源于次序解离和非次序解离两种过程.通过分析不同能量和不同电荷态下重离子碰撞实验所得到的KER谱,发现微扰强度不是影响态布居的主要因素.OCS~(3+)次序解离中的第二步KER的峰值在6.2 eV处.结合以往的实验结果,我们得出结论:多电离态的分子发生次序碎裂的根源在于二价离子碎片存在亚稳态,而重构得到的第二步KER可以反映亚稳态离子的电子态信息.