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本研究は、レーザー冷却によってmK程度まで減速されたイオンと原子分子間の衝突過程をイオンからの蛍光観測を通して検出し、極低温におけるイオン衝突の特性を明らかにすることを目的としている。
昨年度までに、280nmの紫外光によるレーザー冷却によってMg^+を極低温化し、狭窄化したレーザー誘起蛍光スペクトルを観測することに成功した。本年度はまず、蛍光スペクトル形からイオン温度を正確に決定する新しい手段を開発した。トラップ中のイオンの温度は、レーザー光の輻射圧による冷却効果とイオン衝突によるrf加熱効果のバランスによって決定される。我々は、これらの過程を取り入れたモデルに基づいて、観測された非対称なスペクトル波形を定量的に再現し、イオンの冷却到達温度が数Kであることを明らかにした。この方法によって、イオン温度の中性原子・分子(常温)の圧力に対する依存性を計測したところ、冷却用レーザー強度が十分に強い場合には、中性原子との衝突でイオンの温度はほとんど上昇しないことが解った。
一方、トラップ中のイオン数が数個程度まで減少すると、レーザー冷却によって極低温化されたイオンは、トラップポテンシャルとお互いのクーロンポテンシャルによって決まる安定点に固定化されクラスターを形成する。イオンからの2次元蛍光像を観測し、最大3個のイオンからなるクラスターの存在を確認した。イオン運動の振幅から、各イオンは温度に換算して10mK程度まで減速されていることが解る。残留ガスとの衝突によってクラスターが崩壊する様子を、蛍光像から直接観測することに成功した。
今後更に、クラスター状態における個々のイオンからの蛍光観測によって、衝突によって誘起される内部状態の変化をも追跡できると期待している。
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