铷原子超冷中性等离子体库仑耦合参数实验研究

Ultracold plasma, in which the Coulomb potential is much stronger than the thermal kinetic energy, provides an ideal environment for the study of strong coupling effect which plays important roles in the inertial confinement fusion, astrophysics and other physical science fields. Since the first ultracold plasma experiment was performed by Killian’s group from NIST in 1999, many laboratories in the world carried out a lot of studies on cold Rydberg atoms and ultracold plasmas. Their works on plasma are focused mainly in two purposes, how to create plasma which has a controllable initial state, and how the ultracold plasma evaluates after it is created. However, so far the knowledge about the ultracold plasma is still too limited to completely understand the atom collision process in the strong coupling plasma environment. The aim of this work is to investigate the evaluations of electron/ion strong coupling parameters in the ultracold plasma. Experimentally a magneto-optical trap is used to produce cold 87Rb atoms, and the ultracold plasma will be created after the cold Rb atoms are excited to high Rydberg states or directly ionized by an exciting laser, then the free electron and the electron/ion from plasma will be extracted by a delayed electrical field. The initial state of ultracold plasma is determined by the wavelength and energy density of the exciting laser, and the ion density and temperature of plasma at specific delay time is studied by the amplitude and delay of the extract electrical field. The combination of experiment and theoretical simulation will be very helpful for a complete understanding of the evaluation of the strong coupling plasma, especially during the first 1 mms after the creation of plasma.

自从1999年的第一个超冷等离子体物理实验以来，利用激光冷却原子技术产生和研究超冷等离子体已经逐渐成为一个热门课题，其物理问题的重要性不仅体现在可以制备出性质参数可控制的等离子体环境，更体现在超冷等离子体是研究强耦合相互作用的绝佳载体。然而直到目前对于超冷等离子体的研究仍然十分有限，严重的限制了对于等离子环境下原子碰撞过程的理解。我们计划利用即将建成的超冷等离子实验装置平台，研究等离子体库仑耦合参数，重点理解超冷等离子体在生成后1μs内强耦合状态的演化过程。实验将首先在磁光阱中得到多普勒冷却下的87Rb冷原子，之后两步激光共振电离Rb原子得到超冷等离子体，利用外加电场引出离子进行探测。通过调节激发激光的波长和能量密度，我们可以控制等离子体初始状态，之后调节外加引出电场的强度和延时，研究不同演化时刻的超冷等离子体离子密度和温度，理解超冷等离子体演化过程中电子和离子的强耦合状态的变化。

具有极低电子温度和离子温度的超冷等离子体具有强耦合性，是研究太阳核、木星核、白矮星以及惯性约束聚变等离子体等强耦合体系的理想载体。为此我们搭建了一套磁光阱冷原子装置，成功实现了87Rb原子的激光冷却与囚禁，并基于磁光阱系统实现了冷原子云团的双光子共振电离，开展了超冷等离子体的产生与验证等工作。我们设计并建成了磁光阱超高真空系统、高稳定激光系统和冷原子探测系统，成功实现了铷原子的冷却与囚禁，利用原子吸收成像法测得冷原子云团中的原子数目为1.4×10^6，密度为1×10^9 cm-3，温度为533 μK。在此基础上，引入一束脉冲激光实现了铷原子的双光子共振电离，通过探测电离产生的电子飞行时间信号验证了超冷等离子体的形成。此外，通过一种新的实验方法测量了87Rb原子的nS（n=50~64）、nP（n=40~60）和nD（n=49~96）里德堡态能级，实现了87Rb原子里德堡系列的完整测量，并利用里德堡能级公式确定了87Rb原子第一电离能为33690.947(11) cm-1。同时，我们还对超冷等离子体的形成和演化进行了研究，并利用库仑势阱模型对实验结果进行了解释。结果表明，由于来自长寿命里德堡原子的贡献，里德堡原子自发演化形成的超冷等离子体的寿命比光电离形成的超冷等离子体的寿命长。并且我们使用德拜势场单体系等离子体模型的分子动力学方法模拟研究初始空间分布对无序加热过程的影响。在周期性边界条件下，研究了不同初始空间下超冷等离子体的演化过程，证明了有序初始空间分布能够有效提高等离子体的最终耦合强度，进一步我们在演化模拟中考虑了有限体积下超冷等离子的膨胀过程，发现其在有序初始分布下会引发的无序过程显著加热超冷等离子体，导致了耦合强度的逐渐降低，所以无序加热过程是制约其达到高耦合强度的主要因素。