Hˉ+\bar{\textrm{H}}^{+} Sympathetic Cooling Simulations with a Variable Time Step

In this paper we present a new variable time step criterion for the velocity-Verlet algorithm allowing to correctly simulate the dynamics of charged particles exchanging energy via Coulomb collisions while minimising simulation time. We present physical arguments supporting the use of the criterion along with numerical results proving its validity. We numerically show that $\bar{\textrm{H}}^{+}$ ions with 18 meV initial energy can be captured and sympathetically cooled by a Coulomb crystal of $\textrm{Be}^{+}$ and $\textrm{HD}^{+}$ in less than 10 ms, an important result for the GBAR project.Comment: LEAP 2016 proceedin

Spectroscopie à haute résolution de H2+ : production et refroidissement sympathique d'ions piégés.

The objective of the project is to perform high-resolution Doppler-free two-photon vibrational spectroscopy on the H2+ molecular ions in order to obtain a direct optical measurement of the electron to proton mass ratio. The H2+ ions must be trapped and cooled but can only be cooled by sympathetic cooling using Be+ laser cooled ions. After a general introduction, the second part of this manuscrit describes ion trapping and presents the linear trap we use to trap H2+ and Be+ ions, as well as the methods used to create Be+ ions either by electronic impact or by photo-ionization of a stream of Be atoms. In the third part we present the state selective H2+ ion source using resonance enhanced multiphoton ionisation (REMPI) with a 303 nm pulsed laser, then we present the state-selected cold molecular ions obtained. In the fourth part we present a model for the resonance enhanced multiphoton dissociation spectroscopy technique that we use in order to detect the transition in H2+. In the fifth part we present the design and realization of the 313 nm laser source for Doppler cooling of Be+ ions. The sixth part presents the observation of Coulomb crystals of Be+ as well as mixed crystals of Be+ and H2+, it also presents the different experimental techniques that allow us to obtain and observe these crystals. The seventh part describes the spectroscopy source at 9,17 µm.L'objectif du projet est de réaliser la spectroscopie vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler de haute résolution sur l'ion moléculaire H2+ afin d'obtenir une mesure optique directe du rapport de la masse du proton à celle de l'électron. Les ions H2+ doivent être piégés et refroidis, mais ne peuvent être refroidis que par refroidissement sympathique par l'intermédiaire d'ions Be+ refroidis par laser. Après une introduction générale, la deuxième partie de ce manuscrit décrit le piégeage d'ions et présente le piège linéaire que nous utilisons afin de piéger les ions H2+ et Be+, ainsi que les méthodes qui permettent de créer les ions Be+ soit par impact électronique, soit par photo-ionisation d'un jet d'atome de Be. Dans la troisième partie nous présentons la source d'ions H2+ sélective en état interne utilisant la photo-ionisation multiphotonique résonante d'H2 à l'aide d'un laser en impulsion à 303 nm puis nous présentons les ions moléculaires froids sélectionnés en état interne obtenus. Dans la quatrième partie nous présentons le modèle de la spectroscopie par photo-dissociation photonique résonante (REMPD) qui nous permet d'observer la transition dans H2+. Dans la cinquième partie nous présentons la conception et la réalisation de la source laser à 313 nm permettant de refroidir les ions Be+ par refroidissement Doppler. La sixième partie présente l'observation de cristaux de Coulomb de Be+ ainsi que des cristaux mixtes de Be+ et H2+, elle présente aussi les différentes techniques expérimentales qui nous permettent d'obtenir et d'observer ces cristaux. La septième partie décrit la source de spectroscopie à 9,17 µm

High resolution spectroscopy of H2+ : production and sympathetic cooling of trapped ions

L'objectif du projet est de réaliser la spectroscopie vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler de haute résolution sur l'ion moléculaire H2+ afin d'obtenir une mesure optique directe du rapport de la masse du proton à celle de l'électron. Les ions H2+ doivent être piégés et refroidis, mais ne peuvent être refroidis que par refroidissement sympathique par l'intermédiaire d'ions Be+ refroidis par laser. Après une introduction générale, la deuxième partie de ce manuscrit décrit le piégeage d'ions et présente le piège linéaire que nous utilisons afin de piéger les ions H2+ et Be+, ainsi que les méthodes qui permettent de créer les ions Be+ soit par impact électronique, soit par photo-ionisation d'un jet d'atome de Be. Dans la troisième partie nous présentons la source d'ions H2+ sélective en état interne utilisant la photo-ionisation multiphotonique résonante d'H2 à l'aide d'un laser en impulsion à 303 nm puis nous présentons les ions moléculaires froids sélectionnés en état interne obtenus. Dans la quatrième partie nous présentons le modèle de la spectroscopie par photo-dissociation photonique résonante (REMPD) qui nous permet d'observer la transition dans H2+. Dans la cinquième partie nous présentons la conception et la réalisation de la source laser à 313 nm permettant de refroidir les ions Be+ par refroidissement Doppler. La sixième partie présente l'observation de cristaux de Coulomb de Be+ ainsi que des cristaux mixtes de Be+ et H2+, elle présente aussi les différentes techniques expérimentales qui nous permettent d'obtenir et d'observer ces cristaux. La septième partie décrit la source de spectroscopie à 9,17 µm.The objective of the project is to perform high-resolution Doppler-free two-photon vibrational spectroscopy on the H2+ molecular ions in order to obtain a direct optical measurement of the electron to proton mass ratio. The H2+ ions must be trapped and cooled but can only be cooled by sympathetic cooling using Be+ laser cooled ions. After a general introduction, the second part of this manuscrit describes ion trapping and presents the linear trap we use to trap H2+ and Be+ ions, as well as the methods used to create Be+ ions either by electronic impact or by photo-ionization of a stream of Be atoms. In the third part we present the state selective H2+ ion source using resonance enhanced multiphoton ionisation (REMPI) with a 303 nm pulsed laser, then we present the state-selected cold molecular ions obtained. In the fourth part we present a model for the resonance enhanced multiphoton dissociation spectroscopy technique that we use in order to detect the transition in H2+. In the fifth part we present the design and realization of the 313 nm laser source for Doppler cooling of Be+ ions. The sixth part presents the observation of Coulomb crystals of Be+ as well as mixed crystals of Be+ and H2+, it also presents the different experimental techniques that allow us to obtain and observe these crystals. The seventh part describes the spectroscopy source at 9,17 µm

Spectroscopie à haute résolution de H2+ : production et refroidissement sympathique d'ions piégés.

The objective of the project is to perform high-resolution Doppler-free two-photon vibrational spectroscopy on the H2+ molecular ions in order to obtain a direct optical measurement of the electron to proton mass ratio. The H2+ ions must be trapped and cooled but can only be cooled by sympathetic cooling using Be+ laser cooled ions. After a general introduction, the second part of this manuscrit describes ion trapping and presents the linear trap we use to trap H2+ and Be+ ions, as well as the methods used to create Be+ ions either by electronic impact or by photo-ionization of a stream of Be atoms. In the third part we present the state selective H2+ ion source using resonance enhanced multiphoton ionisation (REMPI) with a 303 nm pulsed laser, then we present the state-selected cold molecular ions obtained. In the fourth part we present a model for the resonance enhanced multiphoton dissociation spectroscopy technique that we use in order to detect the transition in H2+. In the fifth part we present the design and realization of the 313 nm laser source for Doppler cooling of Be+ ions. The sixth part presents the observation of Coulomb crystals of Be+ as well as mixed crystals of Be+ and H2+, it also presents the different experimental techniques that allow us to obtain and observe these crystals. The seventh part describes the spectroscopy source at 9,17 µm.L'objectif du projet est de réaliser la spectroscopie vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler de haute résolution sur l'ion moléculaire H2+ afin d'obtenir une mesure optique directe du rapport de la masse du proton à celle de l'électron. Les ions H2+ doivent être piégés et refroidis, mais ne peuvent être refroidis que par refroidissement sympathique par l'intermédiaire d'ions Be+ refroidis par laser. Après une introduction générale, la deuxième partie de ce manuscrit décrit le piégeage d'ions et présente le piège linéaire que nous utilisons afin de piéger les ions H2+ et Be+, ainsi que les méthodes qui permettent de créer les ions Be+ soit par impact électronique, soit par photo-ionisation d'un jet d'atome de Be. Dans la troisième partie nous présentons la source d'ions H2+ sélective en état interne utilisant la photo-ionisation multiphotonique résonante d'H2 à l'aide d'un laser en impulsion à 303 nm puis nous présentons les ions moléculaires froids sélectionnés en état interne obtenus. Dans la quatrième partie nous présentons le modèle de la spectroscopie par photo-dissociation photonique résonante (REMPD) qui nous permet d'observer la transition dans H2+. Dans la cinquième partie nous présentons la conception et la réalisation de la source laser à 313 nm permettant de refroidir les ions Be+ par refroidissement Doppler. La sixième partie présente l'observation de cristaux de Coulomb de Be+ ainsi que des cristaux mixtes de Be+ et H2+, elle présente aussi les différentes techniques expérimentales qui nous permettent d'obtenir et d'observer ces cristaux. La septième partie décrit la source de spectroscopie à 9,17 µm

Trapping, cooling, and photodissociation analysis of state-selected H2+_2^+ ions produced by (3+1) multiphoton ionization

International audienceWe report on the production of cold, state-selected H$_2^+$ molecular ions in a linear RF trap. The ions are produced by (3+1) resonance-enhanced multi-photon ionisation (REMPI) of H$_2$, and sympathetically cooled by laser-cooled Be$^+$ ions. After demonstrating and characterizing the REMPI process, we use photodissociation by a deep UV laser at 213~nm to verify the high vibrational purity of the produced H$_2^+$ ion samples. Moreover, the large difference between the photodissociation efficiencies of ions created in the $v=0$ and $v=1$ levels provides a way to detect a $v=0 \to 1$ transition. These results pave the way towards high-resolution vibrational spectroscopy of H$_2^+$ for fundamental metrology applications