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

Production de source sélectives des ions H2+ et simulations numériques de refroidissement sympathique dans les pièges de radio fréquence

The high-resolution ro-vibrational spectroscopy of the H2+ molecular ion by resonance-enhanced multiphoton dissociation (REMPD) requires a state-selective source of H2+. In this thesis we present work on a functional state selective H2+ ion source using resonance enhanced multiphoton ionisation (REMPI) with a 303 nm pulsed laser.The second part of the thesis presents numerical simulations of sympathetic cooling in linear RF traps, whose main application is the GBAR project (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) which involves sympathetic cooling of an antimatter H̄+ ion by laser-cooled Be+ ions. We developed a GPU code using a variable timestep technique enabling a fast description of Coulomb interactions. We discuss the influence of RF heating and scaling laws between cooling times, initial energy and ion numbers in the cooling crystal. We show that the H̄ sympathetic cooling step of GBAR could be feasible using a rotationally asymmetric two-component Be+/HD+ crystal which appears more effective than a single-component Be+ crystal. We find that the H̄+ ion’s capture by this crystal could be detected experimentally by Fourier analysis of the fluorescence data.La spectroscopie ro-vibrationelle de haute résolution de l’ion moleculaire H2+ par REMPD requiert une source sélective en état interne. Dans cette thèse nous présentons notre travail de conception et de réalisation d’une telle source utilisant la photo-ionisation multiphotonique résonante (REMPI) de H2 à l’aide d’un laser pulsé à 303 nm.Dans un deuxième temps nous présentons nos simulations numériques de refroidissement sympathique dans un piège de Paul linéaire, avec pour application principale le projet GBAR qui implique le refroidissement sympathique d’un ion d’antimatière H̄+ par des ions Be+ refroidis par laser. Nous avons dévelopé un code GPU utilisant un pas de temps variable permettant de décrire les interactions coulombiennes de façon efficace. Nous discutons de l’influence du chauffage RF et de lois d’échelles entre le temps de capture, l’énergie initiale et le nombre d’ions dans le cristal. Nous montrons que le refroidissement sympathique de H̄ requis pour GBAR pourrait fonctionner avec un cristal dissymétrique de Be+/HD+ qui semble plus efficace que le Be+ seul. Nous montrons qu’avec un tel cristal la capture du H̄+ pourrait être détectée expérimentalement par analyse de Fourier des données de fluorescence

Production sélective en état interne de H2+ et simulations numériques de refroidissement sympathique en piège radiofréquence

The high-resolution ro-vibrational spectroscopy of the H2+ molecular ion by resonance-enhanced multiphoton dissociation (REMPD) requires a state-selective source of H2+. In this thesis we present work on a functional state selective H2+ ion source using resonance enhanced multiphoton ionisation (REMPI) with a 303 nm pulsed laser.The second part of the thesis presents numerical simulations of sympathetic cooling in linear RF traps, whose main application is the GBAR project (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) which involves sympathetic cooling of an antimatter H̄+ ion by laser-cooled Be+ ions. We developed a GPU code using a variable timestep technique enabling a fast description of Coulomb interactions. We discuss the influence of RF heating and scaling laws between cooling times, initial energy and ion numbers in the cooling crystal. We show that the H̄ sympathetic cooling step of GBAR could be feasible using a rotationally asymmetric two-component Be+/HD+ crystal which appears more effective than a single-component Be+ crystal. We find that the H̄+ ion’s capture by this crystal could be detected experimentally by Fourier analysis of the fluorescence data.La spectroscopie ro-vibrationelle de haute résolution de l’ion moleculaire H2+ par REMPD requiert une source sélective en état interne. Dans cette thèse nous présentons notre travail de conception et de réalisation d’une telle source utilisant la photo-ionisation multiphotonique résonante (REMPI) de H2 à l’aide d’un laser pulsé à 303 nm.Dans un deuxième temps nous présentons nos simulations numériques de refroidissement sympathique dans un piège de Paul linéaire, avec pour application principale le projet GBAR qui implique le refroidissement sympathique d’un ion d’antimatière H̄+ par des ions Be+ refroidis par laser. Nous avons dévelopé un code GPU utilisant un pas de temps variable permettant de décrire les interactions coulombiennes de façon efficace. Nous discutons de l’influence du chauffage RF et de lois d’échelles entre le temps de capture, l’énergie initiale et le nombre d’ions dans le cristal. Nous montrons que le refroidissement sympathique de H̄ requis pour GBAR pourrait fonctionner avec un cristal dissymétrique de Be+/HD+ qui semble plus efficace que le Be+ seul. Nous montrons qu’avec un tel cristal la capture du H̄+ pourrait être détectée expérimentalement par analyse de Fourier des données de fluorescence

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

Hydrogen molecular ions: New schemes for metrology and fundamental physics tests

High-accuracy spectroscopy of hydrogen molecular ions has important applications for the metrology of fundamental constants and tests of fundamental theories. Up to now, the experimental resolution has not surpassed the part-per-billion range. We discuss two methods by which it could be improved by a huge factor. Firstly, the feasibility of Doppler-free quasidegenerate two-photon spectroscopy of trapped and sympathetically cooled ensembles of HD+ ions is discussed, and it is shown that rovibrational transitions may be detected with a good signal-to-noise ratio. Secondly, the performance of a molecular quantum-logic ion clock based on a single Be+-H2 + ion pair is analyzed in detail. Such a clock could allow testing the constancy of the proton-to-electron mass ratio at the 10-17/yr level

Composite laser-pulses spectroscopy for high-accuracy optical clocks: a review of recent progress and perspectives

International audienc

Corrigendum: Composite laser-pulses spectroscopy for high-accuracy optical clocks: a review of recent progress and perspectives (2018 Rep. Prog. Phys . 81 094401)

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