giancarlo gazzoni

CNR23teoria Articoli di esperimenti e torie utili a introdurre le tesi di rabazon A piccoli passi verso una “teoria del tutto” da Lanci

RICERCATORI dell’Università di Stanford hanno fatto un nuovo importante passo avanti verso la formulazione di una teoria fisica che riassuma in sé i principi della meccanica quantistica e della teoria della relatività di einsteniana memoria. Un risultato che si è meritato la pubblicazione sull’ultimo numero di Science. Infatti, riuscire a conciliare i due grossi blocchi teorici, che oggi riassumono le spiegazioni fisicamente più potenti dei fenomeni osservati in natura, è da anni il pallino dei fisici. In particolare la teoria della relatività descrive il modo in cui le leggi della fisica sono le stesse per ogni osservatore in qualunque sistema di riferimento. La meccanica quantistica invece descrive il mondo dell’infinitamente piccolo, in cui l’energia viene “gestita” in piccoli pacchetti (i quanti). Un mondo in cui spicca il dualismo onda-particelle, per cui una qualunque particella si comporta indifferentemente come particella e come onda. Shou-Cheng Zhang e Jiangping Hu sono riusciti a mostrare una via che potrebbe condurre alla unificazione della meccanica quantistica e di una parte della teoria della relatività, quella che va sotto il nome di relatività speciale. I due ricercatori hanno analizzato matematicamente un sistema ipotetico che ubbidisce alle leggi della meccanica quantistica, cercando di capire se esisteva qualche caso in cui lo stesso sistema soddisfava anche leggi della relatività. Per questo hanno considerato l’universo come la superficie di un liquido quantistico in quattro dimensioni spaziali. Hanno così potuto accertare che la descrizione matematica di questo sistema soddisfa anche le equazioni di Einstein linearizzate, rivelando così inattese proprietà tipiche della relatività. In conclusione, certo i ricercatori non descrivono una teoria del tutto, ma dai risultati ottenuti emerge che un nuovo approccio possibile per affrontare la questione. Potrebbe cioè essere utile considerare la relatività (speciale e generale) come una estensione della meccanica quantistica, piuttosto che come pilastri separati della fisica moderna.

Atomic Physics Division

Division cover page  |  Mission / Organization  |  Current Directions  |  Technical Highlights  |  Future Directions

Technical Highlights

Precision Measurement of Lasing Lines for Deep UV Photolithography. In the near future, the production of integrated circuits for computer chips is expected to utilize microlithography based on a fluorine (F2) excimer laser operating at 157 nm. Because the index of refraction of materials to be used for projection optics varies rapidly with wavelength, the wavelength of the laser must be known to high accuracy. In a collaboration with a leading manufacturer of these lasers, the Lambda Physik Corp. of Ft. Lauderdale, FL, we utilized the unique capabilities of the NIST spectroscopy facilities and applied our 10 m vacuum spectrograph together with a well-characterized Pt/Ne hollow-cathode lamp to measure the wavelengths of six lasing lines from one of their developmental F2 lasers to an accuracy of 1 part in 10^7. For this experiment a novel beam line was designed that eliminated shifts in wavelength that might have been caused by slightly different illumination of the optics by the laser and the Pt/Ne lamp. We also investigated the variation of the wavelengths and intensities of the lasing lines with the operating conditions of the laser. A tracing of a portion of the recorded spectrum is shown in Fig. 1. Our measured wavelengths for three of the F2 lines are given here. The line at 157.402 33 nm was one of three newly observed lasing lines. (C. Sansonetti and J. Reader)

Figure 1. Tracing of lasing spectral lines of an F2 laser together with lines of a reference Pt/Ne hollow cathode lamp. Measured wavelengths for three of the prominent lines are 157.402 33 nm, 157.524 33 nm, and 157.630 94 nm.

• Spectroscopic Measurements for Lighting Applications. About 20 % of all electricity generated in the United States is used for lighting, and improvement of the energy efficiency of lighting systems is a national priority. We are assisting the Electric Power Research Institute (EPRI) in its program to develop more efficient light sources with better color rendering. Our studies of rare earth elements that are used as additives in high-intensity discharge lamps have been centered on holmium. Comprehensive data on energy levels and transition probabilities for the neutral and singly-ionized spectra of this element were needed to realistically model the performance of new lamp designs. The spectrum of holmium is very dense and characterized by broad hyperfine structure patterns with as many as 24 components which frequently overlap. But our high-resolution Fourier transform spectrometer is one of the few instruments capable of handling such complex cases. Also, we have developed software that can simultaneously analyze the structure of up to 3 overlapping hyperfine patterns, obtaining accurate centers of gravity and intensities for each. With this new capability, we have determined branching fractions and transition probabilities for about 250 lines of Ho I and we are extending the very incomplete energy level analysis of Ho II. (G. Nave, C. Sansonetti, and J. Reader)
• High Resolution Spectroscopy for Fusion Research and Space Astronomy. To provide data for spectra of medium charged ions of interest for diagnostics of edge regions of tokamak plasmas, we have carried out a new analysis of the spectrum of five-times-ionized zirconium (Zr⁵⁺). Zirconium is a highly refractory material that may play a role in the design of future tokamaks. For this analysis high resolution spectra of Zr were observed with the NIST 10 m vacuum spectrograph in the 15 nm to 250 nm region. The analysis was performed with the aid of atomic structure codes that calculate the expected energy levels and relative intensities of the lines in this region. We determined line identifications for about 400 lines belonging to the excited configurations 4p⁴4d, 5s, 5p, 5d, and 6s. Most of these levels were newly established in this work. We also completed our extensive measurements for singly-ionized mercury, Hg⁺. Along with our previous measurements for other elements they are being used to determine abundances of heavy elements in chemically peculiar stars observed with the Hubble Space Telescope (HST). These data are also applied to better understand properties of the Hg⁺ ion for the development of a highly accurate atomic clock based on trapping Hg⁺ ions in a magnetic trap. (M. Lindsay, C. Sansonetti, and J. Reader)
• Electron-Impact Ionization Cross Sections. Ionization cross sections of atoms and molecules are a critical input in modeling applications in magnetic fusion research, plasma processing of semiconductors, and atmospheric science. The binary-encounter-dipole (BED) model and its simpler version, the binary-encounter-Bethe (BEB) model, has been developed by us to provide accurate ionization cross sections in compact analytic form. The BEB model is the only ab initio theory that can provide reliable ionization cross sections for fairly large molecules such as C₃F₈ and SF₆. During the last year, these theoretical models have been applied to many new molecules, and an updated version of the ionization cross section website, which contains almost 70 molecules, was made public in September. The BED and BEB models were extended to relativistic incident electrons for applications to heavy atoms and inner-shell ionization of light and heavy atoms. The relativistic BEB cross sections for K-shell ionization of light atoms and the total ionization cross sections for heavy rare gases agree well with known experimental results (Fig. 2). For atoms with half-filled electron shells or fewer valence electrons, autoionization of inner orbital excited states - 3s3p³ in Al for example - nearly doubles the total ionization cross section. This discovery resolved a long-standing discrepancy between theory and experiment for Al, Ga, and In. (Y.-K. Kim, P.M. Stone, and M.A. Ali)
• La misura di precisione tecnica del · di punti culminanti di Lasing si
• allinea per photolithography UV profondo. Nel prossimo futuro, la
• produzione dei circuiti integrati per i circuiti integrati di
• calcolatore si pensa che utilizzi il microlithography basato su un
• laser del excimer del fluoro (F2) che funziona a 157 nm. Poiché l'
• indice di rifrazione dei materiali da usare per ottica della
• proiezione varia velocemente con la lunghezza d'onda, la lunghezza
• d'onda del laser deve essere conosciuta ad alta esattezza. In una
• collaborazione con un fornitore principale di questi laser, la Lambda
• Physik Corp. del piede Lauderdale, FL, abbiamo utilizzato le
• possibilità uniche delle attrezzature di spettroscopia del NIST ed
• abbiamo applicato il nostro spettrografo di vuoto di 10 m. insieme ad
• una lampada bene-caratterizzata del vuoto-catodo di Pt/Ne per misurare
• le lunghezze d'onda di sei righe lasing da uno dei loro laser inerenti
• allo sviluppo F2 ad un' esattezza di 1 parte in 107. Per questo
• esperimento una riga del fascio del romanzo è stata progettata che ha
• eliminato le variazioni nella lunghezza d'onda che potrebbe essere
• causata tramite illuminazione un po' differente dell' ottica dal laser
• e dalla lampada di Pt/Ne. Egualmente abbiamo studiato la variazione
• delle lunghezze d'onda e delle intensità delle righe lasing con le
• condizioni di gestione del laser. Un tracciato d'una parte dello
• spettro registrato è indicato nella fig. 1. Le nostre lunghezze
• d'onda misurate per tre delle righe F2 sono date qui. La riga a
• 157,402 33 nm era una di tre righe lasing recentemente osservate. (C.
• Sansonetti e J. Reader) figura 1. Tracciato del lasing le righe
• spettrali d'un laser F2 insieme alle righe d'una lampada vuota del
• catodo di riferimento Pt/Ne. Le lunghezze d'onda misurate per tre
• delle righe prominenti sono 157,402 33 nm, 157,524 33 nm e 157,630 94
• misure spettroscopiche del · di nm. per le applicazioni di
• illuminazione. Circa 20 % di tutta l' elettricità generata negli
• Stati Uniti sono usati per l' illuminazione ed il miglioramento del
• rendimento energetico dei sistemi di illuminazione è una priorità
• nazionale. Stiamo aiutando l' istituto di ricerca di energia
• elettrica (EPRI) nel relativo programma per sviluppare le fonti di
• luce più efficienti con la rappresentazione di colore migliore. I
• nostri studi sugli elementi della terra rara che sono usati poichè
• gli additivi in lampadine a luminescenza ad alta intensità sono stati
• concentrati sul holmium. I dati completi sui livelli di energia e
• sulle probabilità di transizione per il neutrale e gli spettri
• singolo-ionizzati di questo elemento erano necessari modellare
• realisticamente le prestazioni di nuovi disegni della lampada. Lo
• spettro del holmium è molto denso e caratterizzato dai vasti modelli
• hyperfine della struttura con l' altretanto come 24 componenti che
• coincidono frequentemente. Ma il nostro spettrometro ad alta
• definizione di trasformata di fourier è uno dei pochi strumenti
• capaci di maneggiamento dei tali casi del complesso. Inoltre, abbiamo
• sviluppato il software che può analizzare simultaneamente la
• struttura di fino a 3 modelli hyperfine di sovrapposizione, ottenendo
• i centri esatti di gravità e di intensità per ciascuno. Con questa
• nuova possibilità, abbiamo determinato le frazioni di ramificazione e
• le probabilità di transizione per circa 250 righe di Ho I e noi
• stanno estendendo l' analisi molto incompleta del livello di energia
• della spettroscopia di alta risoluzione del · di Ho II. (G. Nave, C.
• Sansonetti e J. Reader) per ricerca di fusione ed astronomia dello
• spazio. Fornire i dati per gli spettri del media ha caricato gli ioni
• di interesse per il sistema diagnostico delle regioni del bordo dei
• plasmi del tokamak, noi ha effettuato una nuova analisi dello spettro
• dello zirconio cinque-tempo-ionizzato dello zirconio (Zr5+). è un
• materiale altamente refrattario che può svolgere un ruolo nel disegno
• dei tokamaks futuri. Per questa analisi gli spettri di alta
• risoluzione di Zr sono stati osservati con il NIST spettrografo di
• vuoto di 10 m. nei 15 nm alla regione di 250 nm. L' analisi è stata
• effettuata con l' aiuto dei codici atomici della struttura che
• calcolano i livelli di energia previsti e le intensità relative delle
• righe in questa regione. Abbiamo determinato le identificazioni di
• riga per circa 400 righe che appartengono alle configurazioni eccitate
• 4p44d, 5s, 5p, 5d e 6s. più di questi livelli recentemente sono stati
• stabiliti in questo lavoro. Egualmente abbiamo completato le nostre
• vaste misure per mercurio singolo-ionizzato, Hg+. con le nostre misure
• precedenti per altri elementi che stanno usandi per determinare i
• abundances degli elementi pesanti nel ch

Figure 2. Total ionization cross section of Xe. _i = total ionization cross section; T = incident electron energy; BEB = present theory; Wetzel, Nagi, and Nishimura = experiments; gross = total number of electrons produced; count = total number of ions produced.

• Data Compilation of Atomic Spectra. Comprehensive tables of the spectra of numerous highly ionized atoms have been published as Monograph 8 of the J. Phys. Chem. Ref. Data and will be soon added to the NIST Atomic Spectra Database on the Web. This data volume contains critically evaluated reference data for about 16 000 transitions from the soft x-ray to the visible spectral regions for most ions of the iron-group elements, as well as Cu, Kr, and Mo. The Monograph should be a valuable resource for fusion energy researchers as well as for astronomers working with the new generation of x-ray space observatories, such as Chandra, XMM-Newton and Astro E, since it contains the largest collection of spectral data available for soft x-ray lines (6000 transitions). We also contributed tables of spectral data of astrophysical interest to a new edition of "Allen's Astrophysical Quantities," a handbook widely used by astronomers. (J. Fuhr, A. Robey, J. Sugar and W.L. Wiese).
• Complex Quantum Nanostructures. Quantum nanostructures are being studied by many labs to realize their promise for enhanced optoelectronic devices, quantum optics, and classical and quantum information processing. We have implemented realistic empirical tight-binding models with Coulomb effects into our theory for quantum dot structures and used these models to study InAs and Si nanoparticles and CdS/HgS and CdS/ZnS quantum dot quantum wells. Our atomistic models allow us to study nanostructures down to the smallest sizes and to consider quantum dot molecules and solids, made by coupling many dots into complex architectures. These complex systems of nanostructures are necessary to provide the practical functionality needed for real devices. Comparison with optical experiments on these systems allows us to provide a detailed understanding of the spectroscopy and optics of these structures. (G.W. Bryant, W. Jaskolski)
• Figura 2. Sezione trasversale di ionizzazione totale di Xe. i =
• sezione trasversale di ionizzazione totale; T = energia dell'
• elettrone di avvenimento; BEB = teoria attuale; Wetzel, Nagi e
• Nishimura = esperimenti; gross = numero totale di elettroni prodotti;
• conteggio = numero totale di ioni prodotti.
• compilazione di dati del · degli spettri atomici. Le tabelle complete
• delle gamme di atomi altamente ionizzati numerosi sono state
• pubblicate come monografia 8 del J. Phys. Chem. Riferimento. I dati
• e presto saranno aggiunti alla base di dati atomica di spettri del
• NIST sul Web. Questo volume di dati contiene i dati criticamente
• valutati di riferimento per circa 16 000 transizioni dai raggi X molli
• alle regioni spettrali visibili per la maggior parte dei ioni degli
• elementi del ferro-gruppo, così come Cu, Kr ed il Mo. La monografia
• dovrebbe essere una risorsa importante per i ricercatori di energia di
• fusione così come per gli astronomi che lavorano con la nuova
• generazione degli osservatori dello spazio dei raggi X, quale Chandra,
• di XMM-Newton e di Astro E, poiché contiene l' ampia raccolta dei
• dati spettrali disponibili per le righe molli dei raggi X (6000
• transizioni). Egualmente abbiamo contribuito le tabelle dei dati
• spettrali di interesse astrofisico ad una nuova edizione " delle
• quantità astrofisiche dell' Allen, " un manuale ampiamente usato
• dagli astronomi. (J. Fuhr, A. Robey, J. Sugar e W.L. Wiese). quantum
• complesso Nanostructures del ·. I nanostructures di quantum stanno
• studiandi da molti laboratori per realizzare la loro promessa per i
• dispositivi optoelettronici aumentati, l' ottica di quantum e l'
• elaborazione dell'informazione di quantum e classica. Abbiamo
• effettuato i modelli stretto-tight-binding empirici realistichi con
• gli effetti di coulomb nella nostra teoria per le strutture del
• puntino di quantum ed abbiamo usato questi modelli per studiare i
• nanoparticles del silicone e di InAs e pozzi di quantum del puntino di
• quantum di CdS/ZnS e di CdS/HgS. I nostri modelli atomistic
• permettono che noi studiamo i nanostructures giù ai più piccoli
• formati e consideriamo le molecole ed i solidi del puntino di quantum,
• fatti coppia molti puntini nelle architetture complesse. Questi
• sistemi complessi dei nanostructures sono necessari da fornire la
• funzionalità pratica stata necessaria per i dispositivi reali. Il
• confronto con gli esperimenti ottici su questi sistemi permette che
• noi forniamo una comprensione dettagliata della spettroscopia e dell'
• ottica di queste strutture. (G.w. Bryant, W. Jaskolski)
• Quantum logic gates with neutral atoms. We have started a new program to simulate quantum logic gates based on neutral atoms in optical lattices. For this purpose it is necessary to develop computational tools for describing the quantum dynamics of two atoms interacting in the presence of an external confining potential. We have developed both grid and configuration interaction methods for calculating the quantum states and time dependent dynamics for such conditions. One specific case we investigated is whether the ground and first excited motional states of an atom in a single optical lattice cell can be used as a quantum bit (or qubit) for logic gate operations. We considered a double-well lattice that could be made using a CO₂ laser and its first harmonic frequency. If a single atom occupies each side of a double well superlattice cell, and the barrier between the two sides is lowered by changing the intensity of one of the lattice lasers, the atom-atom interaction will be conditional on the motional states of the two atoms. We show that logic gates with fidelities greater than 99 % are possible using such a scheme. (C.J. Williams, P.S. Julienne, E. Tiesinga, F.H. Mies, E. Charron)
• Cold Cesium Mysteries Solved. Atomic cesium is an important species that has been the object of numerous cooling and trapping experiments. Laser cooled cesium is the basis of the new NIST F1-cesium atomic fountain clock. In spite of many studies, a quantitative understanding of collisions of cold cesium atoms has proved elusive. It is important to understand these collisions, since collisional shifts in the cesium transition frequency can adversely affect the performance of the fountain clock. In addition, the collisional properties of cesium atoms have prevented the achievement of Bose-Einstein condensation in cold cesium atomic gases. We have constructed a collision model with only four key parameters to characterize the full quantum dynamics of cold cesium collisions. Two of these parameters are known as scattering lengths, which determine clock shifts and the stability of a Bose-Einstein condensate. One is the coefficient that gives the magnitude of the long-range force between the two atoms. The other expresses the effective interaction between the two electron spins as modified by chemical bonding effects in the cesium dimer molecule. The four model parameters were determined by analyzing new experiments at Stanford University that use a magnetic field to tune a number of cesium dimer bound states to be in resonance with the colliding atoms. The resulting quantitative model not only accounted for all previously existing data on ground state cold cesium atom collisions but also accurately predicted locations for a number of resonances in the Stanford experiment prior to measurement. The new model, contrary to previous expectations, predicts that the collisional shift in a cesium fountain clock could be greatly reduced if the clock could be operated at a much lower temperature in the range of 50 nanokelvin. The model also makes specific predictions of magnetic field strengths for which Bose-Einstein condensation of cesium might be possible. (P.S. Julienne, C.J. Williams, P. Leo)
• cancelli di logica di quantum del · con gli atomi neutri. Abbiamo
• iniziato un nuovo programma per simulare i cancelli di logica di
• quantum basati sugli atomi neutri in grate ottiche. A questo fine è
• necessario da sviluppare gli strumenti di calcolo per la descrizione
• del dynamics di quantum di due atomi che si interagiscono in presenza
• d'un potenziale di confine esterno. Abbiamo messo a punto sia i
• metodi di interazione di configurazione che di griglia per la
• calcolazione le condizioni di quantum e del dynamics dipendente di
• tempo per tali circostanze. Un caso che specifico abbiamo studiato è
• se la terra e le prime condizioni eccitate di motional d'un atomo in
• una singola cellula ottica della grata possono essere usate come un
• quantum morso (o qubit) per i funzionamenti del cancello di logica.
• Abbiamo considerato una doppia-bene grata che potrebbe essere fatta
• usando un laser del CO2 e la relativa prima frequenza armonica. Se un
• singolo atomo occupa ogni lato d'una cellula di superlattice del pozzo
• del doppio e la barriera fra i due lati è abbassata cambiando l'
• intensità di uno dei laser della grata, l' interazione dell'
• atomo-atomo sarà condizionale sulle condizioni di motional dei due
• atomi. Indichiamo che i cancelli di logica con le fedeltà più
• notevolmente di 99 % sono possibili usando un tal schema. (C.J.
• Williams, P.S. Julienne, E. Tiesinga, F.H. Mies, E. Charron) i misteri
• freddi del cesio del · hanno risolto. Il cesio atomico è una specie
• importante che è stata l' oggetto degli esperimenti di raffreddamento
• e d' intrappolamento numerosi. Il cesio raffreddato laser è la base
• di nuovo orologio atomico della fontana del NIST F1-cesium.
• Nonostante molti studi, una comprensione quantitativa degli scontri
• degli atomi freddi del cesio ha dimostrato evasivo. È importante
• capire questi scontri, poiché le variazioni di collisional nella
• frequenza di transizione del cesio possono interessare avversamente le
• prestazioni dell' orologio della fontana. In più, le proprietà di
• collisional degli atomi del cesio hanno impedito il successo di
• condensazione di Bose-Einstein in gas atomici del cesio freddo.
• Abbiamo costruito un modello di scontro con soltanto quattro parametri
• chiave per caratterizzare il dynamics completo di quantum degli
• scontri freddi del cesio. Due di questi parametri sono conosciuti
• come dispersione delle lunghezze, che determinano gli spostamenti
• dell' orologio e la stabilità d'un condensato di Bose-Einstein. Uno
• è il coefficente che dà la grandezza della forza a lungo raggio fra
• i due atomi. L' altro esprime l' interazione efficace fra le due
• rotazioni dell' elettrone come modificate dagli effetti chimici di
• bonding nella molecola del dimero del cesio. I quattro parametri di
• modello sono stati determinati analizzando i nuovi esperimenti all'
• università della Stanford che usano un campo magnetico per
• sintonizzare un certo numero di condizioni rilegate del dimero del
• cesio per essere nella risonanza con gli atomi scontrantesi. Il
• modello quantitativo risultante rappresentato non soltanto i dati
• tutto il precedentemente attuali sugli scontri freddi dell' atomo del
• cesio della condizione al suolo ma posizioni esattamente anche
• previste per un certo numero di risonanze nella Stanford sperimenta
• prima della misura. Il nuovo modello, al contrario alle aspettative
• precedenti, predice che la variazione di collisional in un orologio
• della fontana del cesio potrebbe notevolmente essere ridotta se l'
• orologio potesse essere funzionato ad una temperatura molto più
• insufficiente nella gamma di nanokelvin 50. Il modello egualmente fa
• le previsioni specifiche delle resistenze del campo magnetico per cui
• la condensazione di Bose-Einstein di cesio potrebbe essere possibile.
• (P.s. Julienne, C.j. Williams, P. Leo)
• Theory of Nanooptics. Detailed modeling of nanooptics is needed to provide the theoretical foundation for imaging and metrology with near-field scanning optical microscopy (NSOM) and for near-field optical interaction and optical manipulation of matter. We have continued development of our coupled dipole method and implementation of finite-difference time domain and finite element methods for nanooptics modeling. Our simulations show how NSOM can provide nanoscale local optical metrology of optical waveguides. Our modeling of recent NSOM measurements on semiconductor photonic crystals reveals how multiple scattering and interference critically affect image contrast. Nanooptics modeling applied to optical waveguides shows that the evanescent near-fields outside the guides can be used to trap and manipulate atoms. This raises the possibility of using complex waveguide structures in applications, such as quantum computing and single-atom chemistry, where controlled coherent atom manipulation is critical. The local optics of sources in nanocavities has been modeled to show how optical near-fields can be engineered to tailor optical coupling to and between nanostructures. (G.W. Bryant, P.S. Julienne, J. Burke, A. Rahmani, S.-T. Chu, R. Owen)
• Trapped-Ion Dynamics Studied in EBIT. EBIT facilities, now in operation or under construction at nearly a dozen locations around the world, use ion-trapping techniques to enable new studies in atomic physics and nano-scale surface science. Although the first such facilities have been in operation for over a decade, virtually no data is available concerning the actual spatial distribution and dynamical motion of the ions inside the traps. Previous knowledge of this sort has either been inferred from indirect measurements or was based on complicated models of ion production, loss and interaction. We have now used a sensitive CCD camera to directly image highly charged ions inside our EBIT, study their dynamical motion, and determine the thermal distribution within the trap. The results have been combined with modeling efforts in order to more accurately describe the ion behavior within the trap. In addition to being a valuable tool to aid experiments in the two areas of atomic physics and ion-surface studies, the ion imaging work opens up a third area of inquiry with EBITs that is interesting in its own right. The dynamics of highly charged ion clouds in the combined electric and magnetic fields of an EBIT provide information about a variety of physical processes such as cross-field diffusion and electron-ion heating rates within plasmas. In addition, with knowledge gained from these studies it should be possible to dramatically cool the ions, allowing for the study and control of dense, highly charged ion clouds. Related long-term applications involving the manipulation of trapped highly charged ions to realize quantum computing schemes have already been discussed. (J.D. Gillaspy, J.V. Porto, and I. Kink).
• teoria del · di Nanooptics. La modellistica dettagliata del
• nanooptics è necessaria fornire il fondamento teorico per formazione
• immagine e la metrologia il vicino-campo che esplora la microscopia
• ottica (NSOM) e per interazione ottica del vicino-campo e
• manipolazione ottica della materia. Abbiamo continuato l'
• elaborazione del nostro metodo coppia del dipolo e l' implementazione
• dei metodi di settore di tempo di finite-difference e di elemento
• limitato per la modellistica di nanooptics. Le nostre simulazioni
• mostrano come NSOM può fornire la metrologia ottica locale del
• nanoscale delle guide di onde ottiche. La nostra modellistica delle
• misure recenti di NSOM sui cristalli photonic a semiconduttore rivela
• come la dispersione e l' interferenza di multiplo interessano
• criticamente il contrasto di immagine. La modellistica di Nanooptics
• si è applicata alle guide di onde ottiche indica che i vicino-campi
• evanescent fuori delle guide possono essere usati per intrappolare e
• maneggiare gli atomi. Ciò solleva la possibilità di usando le
• strutture complesse della guida di onde nelle applicazioni, quali la
• computazione di quantum e la chimica dell' singolo-atomo, dove la
• manipolazione coerente controllata dell' atomo è critica. L' ottica
• locale delle sorgenti in nanocavities è stata modellata per mostrare
• a come i vicino-campi ottici possono essere costruiti per adattare l'
• accoppiamento ottico e fra i nanostructures. (G.W. Bryant, P.S.
• Julienne, J. Burke, A. Rahmani, S.-T. Chu, R. Owen) il dynamics del ·
• Trapped-Ion ha studiato in EBIT. Le attrezzature di EBIT, ora in
• funzione o sotto costruzione quasi un dozzina alle posizioni intorno
• al mondo, tecniche di ione-intrappolamento di uso per permettere i
• nuovi studi nella fisica atomica e nano-regolano la scienza di
• superficie. Anche se i primi tali attrezzature sono stati in funzione
• per sopra una decade, virtualmente non ci sono dati disponibili
• interessando la distribuzione spaziale reale ed il movimento dinamico
• degli ioni all'interno delle prese. La conoscenza precedente di
• questo ordinamento è stata arguita dalle misure indirette o è stata
• basata sui modelli complicati di produzione, di perdita e di
• interazione dello ione. Ora abbiamo usato direttamente una macchina
• fotografica sensibile del CCD agli ioni altamente caricati di immagine
• all'interno del nostro EBIT, studiamo il loro movimento dinamico e
• determiniamo la distribuzione termica all'interno della presa. I
• risultati sono stati uniti con la modellistica degli sforzi per
• descrivere più esattamente il comportamento dello ione all'interno
• della presa. Oltre che essere uno strumento importante al sussidio
• sperimenta nelle due zone della fisica atomica e gli studi della
• ione-superficie, il lavoro di formazione immagine dello ione aprono
• una terza zona dell' inchiesta con EBITs che è interessante nella
• relativa propria destra. I dynamics delle nubi altamente caricate
• dello ione nei campi elettrici e magnetici uniti d'un EBIT forniscono
• le informazioni su una varietà di processi fisici quali i tassi di
• heating di diffusione e dello elettrone-ione del traversa-campo
• all'interno dei plasmi. In più, con conoscenza guadagnata da questi
• studi dovrebbe essere possibile raffreddare drammaticamente gli ioni,
• tenendo conto lo studio ed il controllo delle nubi dense e altamente
• caricate dello ione. Le applicazioni di lunga durata relative che
• coinvolgono la manipolazione degli ioni altamente caricati bloccati
• per realizzare gli schemi di calcolo di quantum già sono state
• discusse. (J.d. Gillaspy
• GEC-ICP RF Plasma Source. High-density, low-pressure plasma sources are being widely used to meet the demands of reducing the critical dimensions of etched structures in the semiconductor industry. As the wafer diameters used in etching increase, monitoring and control of plasma uniformity also becomes increasingly important. In order to address these issues, a new type of fiber optic based optical tomography sensor has been developed. Optical tomography derives the two-dimensional distribution of species in a plasma from multiple optical emission measurements without assuming a radially symmetric plasma. This new sensor simultaneously acquires optical emission measurements from 82 different directions through two small windows in less than a second. One initial application of the sensor was to demonstrate the influence of a quartz confinement ring in the GEC-ICP plasma source, which is used to increase the stable operating range of electronegative plasmas. The confinement ring reduces the effective radius and improves the radial symmetry of the discharge. In order to more effectively utilize the data obtained from the sensor, we have also developed a new type of inversion algorithm to convert the optical signals into the actual plasma distribution. This new algorithm has been designed to operate on a desktop computer and combines an algebraic recombination technique (ART) with a curve fitting algorithm to provide the necessary smoothing to the inversion process. (E. Benck and K. Etamadi)
• Key Progress on 157 nm Lithography Materials. We exploited our high-accuracy UV index of refraction measurement capabilities to solve a key materials issue in the development of 157 nm optical lithography, which has been embraced by the semiconductor microelectronics industry as the technology to enable integrated circuit critical-feature-sizes to 100 nm and below. Though initial production with this technology has been projected to begin around 2003, a potential show-stopping problem has been the lack of a second UV material that could be combined with calcium fluoride in the optics to correct for chromatic aberrations, due to the finite band width of the 157 nm excimer laser illumination source. Using the facilities that enabled us to determine the first accurate measurements of the index properties of calcium fluoride at 157 nm, we surveyed the index properties of the most promising candidate second materials. On the basis of our 157 nm index, index dispersion, and thermal coefficient measurements, we established that barium fluoride well satisfies the criteria for a color-correcting second material. This result demonstrated the feasibility of all-refractive 157 nm lithography systems. Based on these measurements, all-refractive 157 nm lithography system designs using combined calcium fluoride and barium fluoride optics are now being pursued by the major lithography companies. (J.H. Burnett, U. Griesmann, with R. Gupta, Div 844).
• Nanoscale features created with highly charged ions. It has been shown that impacts of slow, very highly charged ions (for example Xe⁴⁴⁺) create nanoscale protrusions on mica surfaces. Furthermore, the size of these features increases rapidly as the charge state (and therefore the potential energy) is increased, but is insensitive to changes in the projectile kinetic energy over a large range. In all of these studies, the ion-bombarded surfaces were imaged in air, allowing the possibility that the ion-induced features are modified by atmospheric contamination. Such contamination could drastically alter the morphology of these features. The goal of the present work was to image highly charged ion-induced features in such a way that the observations reflect, as closely as possible, the morphology of the surface as formed by the ion impacts. This will allow us to better understand the nature of these features, and ultimately, the mechanism of their creation. To that end, our experiments were performed in vacuum, imaging the ion-bombarded mica with AFM (atomic force microscopy), before they were exposed to air. The observed features are protrusions, and their diameter is about 20 nm. Our measured heights are larger than those that have been measured previously in air. Also, we do not find that the features are modified after repeated AFM scanning as was previously observed when imaging with AFM in air. We interpret these differences as being due to water that is adsorbed when the samples are in air. The capillary forces due to this water layer increase the force between the sample and the probe, possibly deforming the surface. Therefore, the new images, which were taken in vacuum, are more likely to reflect the true morphology of the features as created by the highly charged ion impacts. This improved understanding of the morphology of these features is a step toward understanding the physical mechanisms that underlie their creation. (L.P. Ratliff, R. Minniti, and J.D. Gillaspy).
• sorgente del plasma del · GEC-ICP rf. Le sorgenti ad alta densità e
• a bassa pressione del plasma ampiamente stanno usande per rispondere
• alle esigenze di riduzione delle dimensioni critiche delle strutture
• incise nell' industria a semiconduttore. Mentre i diametri della
• cialda usati in acquaforte aumentano, il controllo di uniformità del
• plasma egualmente diventano sempre più importanti. Per richiamare
• queste edizioni, un nuovo tipo di sensore ottico basato ottico di
• tomografia della fibra è stato sviluppato. La tomografia ottica
• deriva la distribuzione bidimensionale della specie in un plasma dalle
• misure ottiche multiple dell' emissione senza presupporre un plasma
• radialmente simmetrico. Questo nuovo sensore acquista simultaneamente
• le misure ottiche dell' emissione da 82 sensi differenti attraverso
• due piccoli Window in di meno che un secondo. Un' applicazione
• iniziale del sensore doveva dimostrare l' influenza d'un anello di
• relegazione del quarzo nella sorgente del plasma di GEC-ICP, che è
• usata per aumentare il raggio di azione stabile dei plasmi
• electronegative. L' anello di relegazione riduce il raggio efficace e
• migliora la simmetria radiale dello scarico. Per utilizzare più
• efficacemente i dati ottenuti dal sensore, egualmente abbiamo
• sviluppato un nuovo tipo di procedura di inversione per convertire i
• segnali ottici in distribuzione reale del plasma. Questa nuova
• procedura è stata destinata per fare funzionare sopra un calcolatore
• desktop ed unisce una tecnica algebrica di ricombinazione (ARTE) con
• una procedura del montaggio di curva per fornire la spianatura
• necessaria al processo di inversione. (E. Benck e K. Etamadi)
• progresso di tasto del · su 157 materiali di litografia di nm.
• Abbiamo sfruttato il nostro indice di rifrazione UV high-accuracy le
• possibilità di misura per risolvere materiali chiave pubblichiamo
• nello sviluppo della litografia ottica di 157 nm, che è stata
• abbracciata dall' industria di microelettronica a semiconduttore come
• la tecnologia per permettere i critico-caratteristica-formati del
• circuito integrato a 100 nm e sotto. Benchè la produzione iniziale
• con questa tecnologia sia proiettata per cominciare intorno 2003, un
• problema show-stopping potenziale è stato la mancanza di secondo
• materiale UV che potrebbe essere unito con il fluoruro del calcio
• nell' ottica per correggere per le aberrazioni cromatiche, dovuto la
• larghezza di banda limitata della sorgente di illuminazione del laser
• del excimer di 157 nm. Usando le attrezzature che ci hanno permesso
• di determinare le prime misure esatte delle proprietà di indice del
• fluoruro del calcio a 157 nm, abbiamo esaminato in secondo luogo le
• proprietà di indice dei materiali del candidato più promising. In
• base al nostri indice di 157 nm, dispersione di indice e misure
• termiche di coefficente, abbiamo stabilito che il pozzo del fluoruro
• del bario soddisfa i test di verifica per un secondo materiale
• colore-color-correcting. Questo risultato ha dimostrato la
• fattibilità dei 157 sistemi tutto-rifrangenti di litografia di nm.
• Sulla base di queste misure, le 157 progettazioni di sistema
• tutto-rifrangenti di litografia di nm usando l' ottica unita del
• fluoruro del calcio e del fluoruro del bario ora stanno perseguende
• dalle aziende principali di litografia. (J.H. Burnett, U. Griesmann,
• con R. Gupta, divisione 844).
• caratteristiche di Nanoscale del · create con gli ioni altamente
• caricati. È stato indicato che gli effetti degli ioni lenti e molto
• altamente caricati (per esempio Xe44+) creano le sporgenze del
• nanoscale sulle superfici della mica. Ancora, il formato di queste
• caratteristiche aumenta velocemente mentre la condizione della carica
• (e quindi l' energia potenziale) è aumentata, ma è insensibile ai
• cambiamenti nell' energia cinetica del proiettile sopra una vasta
• gamma. In tutto di questi studi, le superfici ione-bombardate erano
• imaged in aria, permettendo la possibilità che le caratteristiche
• ione-indotte fossero modificate tramite contaminazione atmosferica.
• Tale contaminazione ha potuto drasticamente alterare la morfologia di
• queste caratteristiche. L' obiettivo del lavoro attuale era alle
• caratteristiche ione-indotte altamente caricate di immagine im modo
• tale che le osservazioni riflettono, come molto attentamente
• possibile, la morfologia della superficie come costituito dagli
• effetti dello ione. Ciò permetterà che noi capiamo più meglio la
• natura di queste caratteristiche ed infine, il meccanismo della loro
• creazione. A tale scopo, i nostri esperimenti sono stati effettuati
• nel vuoto, formazione immagine la mica ione-bombardata con il AFM
• (microscopia atomica della forza), prima che fossero esposti ad aria.
• Le caratteristiche osservate sono sporgenze ed il loro diametro è
• circa 20 nm. Le nostre altezze misurate sono più grandi di quelle
• che sono stati misurati precedentemente in aria. Inoltre, non
• troviamo che le caratteristiche sono modificate dopo che esame
• ripetuto del AFM come precedentemente è stato osservato quando
• formazione immagine con il AFM in aria. Interpretiamo queste
• differenze come essendo dovuto acqua che è adsorbita quando i
• campioni sono in aria. Le forze capillari dovuto questo strato dell'
• acqua aumentano la forza fra il campione e la sonda, possibilmente
• deformanti la superficie. Di conseguenza, le nuove immagini, che sono
• state prese nel vuoto, sono più probabili riflettere la morfologia
• allineare delle caratteristiche come creato dagli effetti altamente
• caricati dello ione. Ciò comprensione migliorata della morfologia di
• queste caratteristiche è un punto verso capire i meccanismi fisici
• che sono alla base della loro creazione. (L.P. Ratliff, R. Minniti e
• J.D. Gillaspy).
• EBIT Used to Simulate Cosmic Plasmas for Quantum Calorimeters. The Chandra x-ray observatory, launched into orbit by NASA in 1999 after more than 15 years of planning, was designed to revolutionize astronomy by providing an unprecedented view of the universe. With 100 times the sensitivity of previous x-ray telescopes as well as much higher resolution, the multi-billion dollar Chandra is now producing such high quality data that it is challenging the ability of astrophysicists to interpret it. Furthermore, one of NASA's top priority scientific missions for the next decade is Constellation X, an even more powerful orbiting array of x-ray instruments based on quantum calorimetry. In support of these present and future missions, we are working with scientists from the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and the Naval Research Laboratory to improve the understanding of fundamental processes occurring in hot cosmic plasmas, and to test quantum calorimeters at our EBIT facility. Ion temperatures in excess of ten million degrees Kelvin are readily achieved with our EBIT, under conditions that can be precisely controlled to sort out the dependencies of key diagnostic x-ray lines on density, temperature, and other excitation conditions. We have now recorded detailed spectra from half a dozen highly ionized species, including the particularly relevant case of iron. The measurements in iron were repeated at half a dozen different electron beam energies in order to unravel the temperature dependence of the line intensities. We have analyzed the spectra to provide quantitative tests of the models used to interpret astrophysical plasmas. In some cases we find good agreement, and in other cases we find that the existing models give erroneous results. We are working to include more physics in the models in order to improve the agreement. (J.D. Gillaspy, E. Takacs, I. Kink, and J.V. Porto).
• Ultracold Collisions. Using one laser to photoassociate slowly colliding atoms into bound states of excited diatomic molecules, we then use further lasers to take these molecules into either doubly-excited states or to bound ground-state molecules. New spectroscopy of the 0_g^- (S+P_1/2) state and several doubly-excited states in Na₂ has been obtained. Spectra of several never-before seen states in the triplet ground state of Na₂ have also been obtained. In particular, we have observed v = 12-15 (the last four triplet bound states) and we are devising ways in which we might extend these measurements down to v = 0. We have also detected the stable formation of triplet ground state Na₂ molecules, created by spontaneous emission from an excited state. Optical Feshbach resonances have been observed and their effects on the scattering properties of cold atoms measured. This technique could represent a new way to modify the scattering length in Bose-Einstein condensates. (F. Fatemi, K. Jones, P. Lett)
• il · EBIT ha usato simulare i plasmi cosmici per i calorimetri di
• quantum. L' osservatorio dei raggi X di Chandra, lanciato nell'
• orbita da NASA in 1999 dopo più di 15 anni della progettazione, è
• stato destinato per rivoluzionare l' astronomia fornendo una vista
• senza precedente dell' universo. Con 100 volte la sensibilità dei
• raggi X precedenti si infila così come risoluzione molto più alta,
• il dollaro miliardario Chandra ora sta redigendo tali dati di alta
• qualità che è challenging la capacità dei astrophysicists di
• interpretarla. Ancora, una delle missioni scientifiche di massima
• priorità di NASA's per la decade prossima è costellazione X, un
• allineamento orbiting ancor più potente degli strumenti dei raggi X
• basati su calorimetria di quantum. A sostegno di queste missioni
• presenti e future, stiamo lavorando con gli scienziati dal centro di
• Harvard-Smithsonian affinchè astrofisica ed il laboratorio di ricerca
• navale miglioriamo la comprensione dei processi fondamentali che
• accadono nei plasmi cosmici caldi e per verificare i calorimetri di
• quantum alla nostra funzione di EBIT. Le temperature dello ione al di
• sopra di dieci milione gradi Kelvin sono realizzate prontamente con il
• nostro EBIT, nelle circostanze che possono essere gestite precisamente
• per scegliere le dipendenze delle righe diagnostiche chiave dei raggi
• X su densità, sulla temperatura e su altri stati di eccitazione. Ora
• abbiamo registrato gli spettri dettagliati da mezza dozzina di specie
• altamente ionizzata, compreso la cassa particolarmente relativa di
• ferro. Le misure in ferro sono state ripetute a mezza dozzina di
• energie differenti del fascio elettronico per disfare la dipendenza di
• temperatura delle intensità della riga. Abbiamo analizzato gli
• spettri per fornire le prove quantitative dei modelli usati per
• interpretare i plasmi astrofisici. In alcuni casi troviamo il buonoo
• accordo ed in altri casi troviamo che i modelli attuali forniscono
• risultati errati. Stiamo lavorando per includere la più fisica nei
• modelli per migliorare l' accordo. (J.D. Gillaspy, E. Takacs, I. Kink
• e J.V. Porto). scontri di Ultracold del ·. Per mezzo di un laser
• agli atomi lentamente scontrantesi del photoassociate nelle condizioni
• rilegate delle molecole diatomic eccitate, allora utilizziamo
• ulteriori laser per prendere queste molecole nelle condizioni
• doppio-eccitate o per limitare le molecole della terra-condizione. La
• nuova spettroscopia della condizione 0g- (S+P1/2) e di parecchie
• condizioni doppio-eccitate in Na2 è stata ottenuta. Le gamme di vari
• mai-prima delle condizioni viste nella condizione al suolo del
• tripletto di Na2 egualmente sono state ottenute. In particolare,
• abbiamo osservato v = (le ultime quattro condizioni rilegate del
• tripletto 12-15) e stiamo inventando i modi in cui potremmo estendere
• queste misure giù fino v = 0. Egualmente abbiamo rilevato la
• formazione stabile delle molecole della condizione al suolo Na2 del
• tripletto, creata da emissione spontanea da una condizione eccitata.
• Le risonanze ottiche di Feshbach sono state osservate ed i loro
• effetti sulle proprietà di dispersione degli atomi freddi sono stati
• misurati. Questa tecnica ha potuto rappresentare un nuovo modo
• modificare la lunghezza di dispersione nei condensati di
• Bose-Einstein. (F. Fatemi, K. Jones, P. Lett)
• Ultracold Plasmas. In the laser-cooled xenon experiment, we have continued to study ultracold plasmas created by photoionization. We have produced the coldest neutral plasma ever created, with electron temperatures as low as 1 K and ion temperatures that are much lower. We developed a simple model to explain the plasma creation, and found excellent quantitative agreement with experimental results. We have excited a collective mode, the plasma oscillation, and used it to monitor the time-dependent density of the expanding, unconfined plasma. We found an expansion rate dominated by the pressure the electrons exert on the ions, and find good agreement with a hydrodynamic model at high (>100 K) temperatures. At low temperatures and high densities, we find an anomalously large expansion rate, which is currently under study, and is believed to be due to electron-ion correlations. (R. Dumke, T. Killian, M. Lim, S. Rolston)
• Optical tweezers. We have developed a technique, using optical tweezers, to measure stochastically-driven on and off rates of adhesion to biomolecules immobilized on surfaces. We have measured the distribution of times for formation and dissociation of antigen-antibody bonds and initiated theoretical modeling of the experimental results. We have constructed a new apparatus incorporating both optical tweezers and an "optical scalpel" to cut into biological objects. We have now initiated studies of liposome manipulation using both the optical tweezers and scalpel. We have also begun construction of a new apparatus for microassembly of mechanical structures using optical tweezers. With this apparatus we have demonstrated 3-D trapping of micron-sized gold particles in single-focus optical tweezers. These trapped particles are far larger than any reflective particles that have been previously reported being trapped, and the trapping mechanism is not understood theoretically. (J. Hall, K. Helmerson, R. Kishore, S. Kulin)
• Optical Interactions in Bose-Einstein Condensates. We have demonstrated the adiabatic loading of condensate atoms into the ground state of a 1-D optical lattice and the coherent transfer of these atoms into higher-band states. Such experiments are important to evaluate the possibility of using neutral atoms held in off-resonant optical lattice potentials for quantum manipulation and information processing. Recently we have also begun to measure the loss rates of atoms from a BEC due to photoassociation and compare these rates with theoretical predictions. We have developed an interferometric method of spatially imaging the phase of a BEC, and used the method to study the expansion of the condensate driven by the mean-field interactions. We confirmed the theoretical predictions of a quadratic phase variation across the condensate and made the first direct observation of mean-field repulsion between two condensate clouds. (D. Cho, J. Denschlag, K. Helmerson, F. Fatemi, J. Simsarian, K. Jones, P. Lett, W. Phillips, S. Rolston, P. Julienne, C. Williams, E. Tiesinga) plasmi di Ultracold del ·. Nell' esperimento laser-raffreddato del
• xeno, abbiamo continuato a studiare i plasmi del ultracold creati
• tramite fotoionizzazione. Abbiamo prodotto il plasma neutro più
• freddo creato mai, con le temperature dell' elettrone basse quanto 1
• temperatura dello ione e di K che sono molto più basse. Abbiamo
• sviluppato un modello semplice per spiegare la creazione del plasma e
• per trovare l' accordo quantitativo eccellente con i risultati
• sperimentali. Abbiamo eccitato un modo collettivo, l' oscillazione
• del plasma ed usato esso per controllare la densità dipendente dal
• tempo dell' espansione, unconfined il plasma. Abbiamo trovato un
• tasso di espansione dominato dalla pressione gli elettroni per
• impiegare sugli ioni e troviamo il buonoo accordo con un modello
• idrodinamico al high (> 100 K) temperature. Alle temperature
• insufficienti ed alle alte densità, troviamo un tasso in modo anomalo
• grande di espansione, che è attualmente allo studio e ci crediamo per
• essere dovuto le correlazioni dello elettrone-ione. (R. Dumke, T.
• Killian, M. Lim, S. Rolston) pinzette ottiche del ·. Abbiamo
• sviluppato una tecnica, per mezzo delle pinzette ottiche, ai tassi
• avanti/stop stocastico-stochastically-driven misura di adesione alle
• biomolecole immobilizzate sulle superfici. Abbiamo misurato la
• distribuzione dei periodi per formazione e la dissociazione dei legami
• dell' antigene-anticorpo ed abbiamo iniziato la modellistica teorica
• dei risultati sperimentali. Abbiamo costruito un nuovo apparecchio
• che comprende entrambe le pinzette ottiche e " uno scalpel ottico "
• per tagliare in oggetti biologici. Ora abbiamo iniziato gli studi su
• manipolazione del liposoma usando le entrambi pinzette e scalpel
• ottici. Egualmente abbiamo cominciato la costruzione di nuovo
• apparecchio per il microassemblaggio elettronico delle strutture
• meccaniche per mezzo delle pinzette ottiche. Con questo apparecchio
• abbiamo dimostrato l' intrappolamento 3-D delle particelle
• micron-graduate dell' oro in pinzette ottiche del singolo-fuoco.
• Queste particelle bloccate sono ben più grandi di tutte le particelle
• riflettenti che precedentemente sono state segnalate essere bloccato
• ed il meccanismo di intrappolamento non è capito teoricamente. (J.
• Corridoio, K. Helmerson, R. Kishore, S. Kulin) interazioni ottiche del
• · nei condensati di Bose-Einstein. Abbiamo dimostrato il caricamento
• adiabatico degli atomi condensati nella condizione al suolo d'una
• grata ottica 1-D e nel trasferimento coerente di questi atomi nelle
• condizioni della alto-fascia. Tali esperimenti sono importanti da
• valutare la possibilità di usando gli atomi neutri tenuti nei
• potenziali ottici fuori-sonori della grata per la manipolazione di
• quantum e l' elaborazione dell'informazione. Recentemente egualmente
• abbiamo cominciato a misurare i tassi di perdita degli atomi da un BEC
• dovuto il photoassociation ed a paragonare questi tassi alle
• previsioni teoriche. Abbiamo messo a punto un metodo interferometric
• nello spazio di formazione immagine la fase d'un BEC ed abbiamo usato
• il metodo per studiare l' espansione del condensato guidato dalle
• interazioni del signific-campo. Abbiamo confermato le previsioni
• teoriche d'una variazione di fase quadratica attraverso il condensato
• ed abbiamo fatto la prima osservazione diretta della repulsione del
• signific-campo fra due nubi condensate. (D. Cho, J. Denschlag, K.
• Helmerson, F. Fatemi, J. Simsarian, K. Jones, P. Lett, W. Phillips, S.
• Rolston, P. Julienne, C. Williams, E. Tiesinga)
• Atom Optics. We have measured the coherence length, or coherence time, for atoms outcoupled from our BEC. By implication, this gives us information about the coherence of the parent condensate. For the case of a condensate that has the output coupling applied with the trapping potential on, we find that we have the full expected coherence. When we release the condensate before coupling out the wavepackets, we find that the coherence is reduced because the mean-field expansion produces a phase gradient across the condensate. Our investigations of Bose condensates have inaugurated the new discipline of "nonlinear atomic optics." Soon after the prediction and achievement of four-wave mixing in these systems at NIST, another fundamental manifestation of nonlinear materials -- the propagation of solitons -- was also observed in trapped condensates. Solitons are localized traveling waves that preserve their spatial profile due to a balance between the wave dispersion and the nonlinearity of the medium. In confined geometries such as optical fibers, solitons of light can propagate long distances (hundreds of meters) without decaying. In an interacting Bose condensate, the solitons appear as dark kinks that travel more slowly than the speed of sound. The experiment was substantially motivated by our theoretical studies initiated in 1997. These studies found that, for condensates with repulsive interactions, solitons could be generated by imposing gradients in the phase of the condensate wavefunction. In our experiments the condensate is exposed to a spatially inhomogeneous light field, which induces a local variation of phase that is proportional to the value of the AC Stark shift. We obtain very good agreement between computational solutions of the Gross-Pitaevskii equation and the experiments (as shown in Fig. 3). Indeed, the calculations (performed by collaborating groups in Electron and Optical Physics Division) are essential for interpreting the combination of soliton and phonon modes produced in the experiments. (J. Denschlag, K. Helmerson, W. Phillips, J. Simsarian, S. Rolston, with D. Feder and C. Clark, Div. 841)
• ottica dell' atomo del ·. Abbiamo misurato la lunghezza di coerenza,
• o il tempo di coerenza, dato che gli atomi outcoupled dal nostro BEC.
• Implicitamente, questo ci fornisce le informazioni sulla coerenza
• del condensato del genitore. Per il caso d'un condensato che ha l'
• accoppiamento dell' uscita si è applicato con il potenziale di
• intrappolamento sopra, noi trova che abbiamo la coerenza prevista
• completa. Quando liberiamo il condensato prima dell' accoppiamento
• verso l'esterno i wavepackets, troviamo che la coerenza è ridotta
• perché l' espansione del signific-campo produce una pendenza di fase
• attraverso il condensato. Le nostre indagini sui condensati di Bose
• hanno inaugurato la nuova disciplina " di ottica atomica non lineare.
• " Presto dopo che la previsione ed il successo di
• quattro-fluttuassero la miscelazione in questi sistemi al NIST, un'
• altra manifestazione fondamentale dei materiali non lineari --
• propagazione dei solitons -- egualmente è stata osservata in
• condensati bloccati. Solitons è onde mobili localizzate che
• conservano il loro profilo spaziale dovuto un equilibrio fra la
• dispersione dell' onda e la non linearità del media. Nei geometries
• limitati quali le fibre ottiche, i solitons di luce possono propagare
• le distanze lunghe (centinaia dei tester) senza decadere. In un
• condensato d' interazione di Bose, i solitons compaiono come nodi
• scuri che viaggiano più lentamente della velocità del suono. L'
• esperimento è stato motivato sostanzialmente dai nostri studi teorici
• iniziati in 1997. Questi studi hanno trovato che, per i condensati
• con le interazioni repulsive, i solitons potrebbero essere generati
• dalle pendenze imponenti nella fase del wavefunction condensato. Nei
• nostri esperimenti il condensato è esposto ad un campo chiaro nello
• spazio non omogeneo, che induce una variazione locale della fase che
• è proporzionale al valore dello spostamento rigido di CA. Otteniamo
• l' accordo molto buonoo fra le soluzioni di calcolo dell' equazione di
• Gross-Pitaevskii e gli esperimenti (come indicato nella fig. 3).
• Effettivamente, le calcolazioni (effettuate dai gruppi di
• collaborazione in elettrone e nella divisione ottica di fisica) sono
• essenziali per l' interpretazione della combinazione dei modi di
• fonone e del soliton prodotti negli esperimenti. (J. Denschlag, K.

Figure 3. Experimental (top row) and theoretical (bottom row) propagation of a soliton in the Bose condensate. A positive density wave moves in the +x direction at the speed of sound, and a dark soliton moves in the opposite direction with a speed less than that of sound. Since the imaging technique destroys the condensate, each image shows a different condensate.

• Quantum Computing. We have recently begun an experimental effort to investigate quantum information processing using neutral atoms. We have begun to build-up a new lab in which rubidium atoms will be cooled and trapped and made to form a Bose-Einstein condensate. These atoms will then be loaded into a 3-D optical lattice for manipulation with the goal of investigating quantum gates for quantum information processing. In recent experiments using our existing sodium BEC we have demonstrated the adiabatic loading of condensate atoms into the ground state of a 1-D optical lattice and the coherent transfer of these atoms into higher-band vibrational states. (K. Helmerson, B. King, P. Lett, S. Peil, W. Phillips, S. Rolston)
• International Workshop on Gamma-Ray Spectroscopy featured in NIST Journal of Research. The January-February 2000 issue of the NIST Journal of Research was devoted to the proceedings of an International Workshop on High Resolution Gamma-Ray Spectroscopy and Applications. The guest editors for this special issue are Professor A. Aprahamian of Notre Dame and Dr. R.D. Deslattes of the NIST Physics Laboratory. Most contributions to the workshop were based on work carried out at the High Flux Reactor of the Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, France, using the ultra-high resolution crystal diffraction spectrometer GAMS4. The spectrometer was designed and built at NIST and is currently operated as a joint ILL-NIST facility in a program led by E. Kessler of NIST and H. Börner of ILL. This program not only addresses issues of importance to NIST and the ILL but also serves the needs of users from a variety of disciplines, all of which are represented in contributions to this special issue. The distinctive features of GAMS4 are its accuracy and its exceptionally high spectroscopic resolving power. The accuracy achieved has been an essential contributor to NIST work on the properties of fundamental particles, the determination of fundamental constants, and gamma-ray energy standards. The exceptional resolution capability is exploited for the determination of nuclear excited state lifetimes between the picosecond and femtosecond levels. In the course of modeling these spectra, significant information has emerged on the form of the interatomic potential function in the range 10 eV to 100 eV, a region not accessible by other means. Since its installation in the mid-80's, the GAMS4 collaboration has been a model of productive international cooperation. (R. Deslattes and E. Kessler)
• Figura 3. (propagazione sperimentale (fila superiore) e teorica di
• fila inferiore) d'un soliton nel condensato di Bose. Un' onda
• positiva di densità si muove nel senso di +x alla velocità del suono
• e un soliton scuro si muove nel senso opposto con una velocità più
• di meno di quella del suono. Poiché la tecnica di formazione
• immagine distrugg il condensato, esposizioni di ogni immagine una
• computazione condensata differente di quantum del ·. Recentemente
• abbiamo cominciato uno sforzo sperimentale studiare l' elaborazione
• dell'informazione di quantum usando gli atomi neutri. Abbiamo
• cominciato ad accumulazione un nuovo laboratorio in cui gli atomi del
• rubidio saranno raffreddati e bloccati e fatti per formare un
• condensato di Bose-Einstein. Questi atomi allora saranno caricati in
• una grata ottica 3-D per manipolazione con l' obiettivo dei cancelli
• di quantum di studio per l' elaborazione dell'informazione di quantum.
• Negli esperimenti recenti che usando il nostro sodio attuale BEC
• abbiamo dimostrato il caricamento adiabatico degli atomi condensati
• nella condizione al suolo d'una grata ottica 1-D e nel trasferimento
• coerente di questi atomi nelle condizioni vibratorie della
• alto-fascia. (K. Helmerson, B. re, P. Lett, S. Peil, W. Phillips, S.
• Rolston) workshop internazionale del · sulla spettroscopia dei raggi
• gamma descritta in giornale del NIST di ricerca. L' edizione di
• January-February 2000 del giornale del NIST di ricerca è stata
• dedicata agli atti d'un workshop internazionale sulla spettroscopia e
• sulle applicazioni di alta risoluzione dei raggi gamma. Gli editori
• dell' ospite per questo numero speciale sono il professor A.
• Aprahamian del dame di Notre e del Dott. R.D. Deslattes del
• laboratorio di fisica del NIST. La maggior parte dei contributi al
• workshop sono stati basati su lavoro effettuato all' alto reattore di
• cambiamento continuo del Institut Laue-Langevin (MALATO) a Grenoble,
• Francia, per mezzo dello spettrometro di cristallo GAMS4 di
• diffrazione di risoluzione ultraelevata. Lo spettrometro è stato
• progettato e costruito stato al NIST ed attualmente è funzionato
• mentre una funzione del giunto ILL-NIST in un programma ha condotto da
• E. Kessler del NIST e H. Börner del ILL. Questo programma richiama
• non soltanto le emissioni dell' importanza al NIST ed al ILL ma
• egualmente risponde alle esigenze degli utenti da una varietà di
• discipline, che sono rappresentate nei contributi a questo numero
• speciale. Le caratteristiche peculiari di GAMS4 sono la relativa
• esattezza e la relativa particolarmente alta pontenza di risoluzione
• spettroscopica. L' esattezza realizzata è stata un contributore
• essenziale al lavoro del NIST sulle proprietà delle particelle
• fondamentali, sulla determinazione dei costanti fondamentali e sugli
• standard di energia dei raggi gamma. La possibilità eccezionale di
• risoluzione è sfruttata per la determinazione dei corsi della vita
• eccitati nucleari della condizione fra il picosecond ed i livelli del
• femtosecond. Nel corso della modellistica dei questi spettri, le
• informazioni significative sono emerso sulla forma della funzione
• potenziale interatomic nella gamma 10 eV - 100 eV, una regione non
• accessibile attraverso altri mezzi. Dalla relativa installazione nei
• mid-80's, la collaborazione GAMS4 è stata un modello della
• cooperazione internazionale produttiva. (R. Deslattes ed E. Kessler)
• Si SRM-640c certified and released for sale. Standard Reference Material (SRM) 640c, a silicon powder standard, was released to the scientific and industrial community in September 2000. This SRM is intended for use as a standard for calibration of diffraction line positions and line shapes, determined through powder diffractometry. NIST is the world's principal source of powder-diffraction reference materials that are used as standards in crystal structural investigations. SRM-640c replaces SRM-640b whose reserve was depleted and whose certification was inadequate for the more advanced powder diffraction structural determinations. The production and certification of SRM-640c was a collaboration between the Materials Science and Engineering Laboratory and the Physics Laboratory. We verified the uniformity of the single-crystal silicon starting material and developed a diffractometer for first principles lattice parameter measurements which are linked to the International System of Units (SI) through the wavelength of the Cu K radiation. In addition, we collected all the data from random samples of the 640c powder. The relative uncertainty of the lattice parameter is 1.7 x 10^-6 (95 % confidence limit). (J.L. Staudenmann, L. Hudson, R. Deslattes, and E. Kessler)

High Energy X-ray Spectrometer (HXS) successfully installed at OMEGA. The Division fielded a curved-crystal spectrometer system at the University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE). There it will be used as a core diagnostic to study the plasmas produced by the OMEGA laser by acquiring x-ray spectra in the energy range of 12 keV to 60 keV. The spectrometer was designed, built, and calibrated at NIST, and the backplane sensor and drive electronics were provided by collaborators from the Naval Research Laboratory. Recently, these two halves of the HXS system were mated and tested at NIST using a microfocus x-ray source to mimic the direct-drive targets that will be studied at LLE. Initial field testing registered high-resolution CCD spectra from individual 1 ns laser shots (60 convergent beams totaling around 23 kJ of energy) of krypton-filled CH targets. First results, shown below, measured the variability of the first resonance lines of highly charged Kr under different plasma conditions. The ratio of He- to Li-like Kr signals as well as the slope of the continuum can be used to derive the electron temperature of the plasmas created. (L. Hudson) il silicone SRM-640c del · ha certificato e si liberato per la vendita. Il materiale di riferimento standard (SRM) 640c, uno standard della polvere del silicone, è stato liberato alla Comunità scientifica ed industriale in settembre 2000. Questo SRM è inteso per uso come standard per la calibratura delle posizioni di riga di diffrazione e della figura della riga, polvere diretta risoluta diffractometry. Il NIST è la sorgente principale del mondo dei materiali di riferimento di polvere-diffrazione che sono usati come standard nelle indagini strutturali di cristallo. SRM-640c sostituisce SRM-640b di cui la riserva è stata esaurita e di cui la certificazione era inadeguata per le determinazioni strutturali di diffrazione più avanzata della polvere. La produzione e la certificazione di SRM-640c erano una collaborazione fra il laboratorio di scienza e di ingegneria dei materiali ed il laboratorio di fisica. Abbiamo verificato l' uniformità del prodotto base del silicone del singolo-cristallo ed abbiamo sviluppato un diffractometer per le prime misure di parametro della grata di principii che sono collegate al sistema delle unità internazionale (SI) con la lunghezza d'onda della radiazione del Cu K. In più, abbiamo raccolto tutti i dati dai campioni scelti a caso della polvere 640c. L' incertezza relativa del parametro della grata è 1,7 x 10-6 (95 % di limiti di confidenza). (J.L. Staudenmann, L. Hudson, R. Deslattes ed E. Kessler) l' alto spettrometro dei raggi X di energia del · (HXS) ha installato con successo a OMEGA. La divisione fielded un sistema dello spettrometro del curv-cristallo all' università di laboratorio de Rochester per l' energetica del laser (LLE). Là sarà usata come diagnostico di nucleo per studiare i plasmi prodotti dal laser del OMEGA acquistando gli spettri dei raggi X nella gamma di energia di 12 keV - 60 keV. Lo spettrometro è stato progettato, costruito stato ed è calibrato stato al NIST e l' elettronica del sensore e dell' azionamento del pannello posteriore è fornito stata dai collaboratori dal laboratorio di ricerca navale. Recentemente, queste due metà del sistema di HXS sono corrisposto state ed esaminato al NIST usando una sorgente dei raggi X di microfocus per imitare dirig-guidare gli obiettivi che saranno studiati agli spettri ad alta definizione registrati del CCD di prova di in loco del LLE. Initial dai colpi del laser dell' individuo 1 NS (60 fasci convergenti che ammontano ad intorno 23 kJ di energia) degli obiettivi cripto-riempiti di CH. I primi risultati, indicati sotto, misurati la variabilità delle prime righe di risonanza di Kr altamente caricato sotto plasma differente condiziona. Il rapporto di Li-come a Kr segnala come pure il pendio della continuità può essere usato per derivare la temperatura dell' elettrone dei plasmi creati. (L. Hudson) Figura 4. spettri Alto-highly-charged del cripto da tre colpi (numerati) dei plasmi emozionanti del laser del OMEGA con la temperatura di diminuzione dell' elettrone. Negli spettri dai colpi più bassi del laser di energia, le firme dalle specie della basso-caric-condizione diventano più apparenti.

Figure 4. Highly-charged krypton spectra from three shots (numbered) of the OMEGA laser exciting plasmas with decreasing electron temperature. In spectra from the lower energy laser shots, signatures from lower-charge-state species become more apparent.

THERMAL INFRARED TRANSFER TO EOS

Remote-sensing instruments in the NASA EOS (Earth Observing System) program have TIR (Thermal Infrared) channels that are calibrated pre-flight at contractor facilities. A project to establish radiometric traceability between EOS instruments and NIST TIR radiance standards is underway. The project will involve, for the first time ever, cross-calibration of blackbody sources used at contractor facilities with a portable Thermal-infrared Transfer Radiometer (TXR) from NIST. The TXR will be calibrated at NIST against a large-area cryogenic blackbody source in the 77 K background environment of the MBIR (Medium Background Infrared) facility. [1, 2, 3]

The TXR features two filtered semiconductor photodetectors that share a common telescope. With 1 µm wide channels centered at 5 µm and 10 µm, it is optimized to measure radiance from 200 K to 400 K sources. All internal optics are cooled to near 77 K to reduce background, and an internal chopper provides background subtraction.

IL TRASFERIMENTO INFRAROSSO TERMICO negli strumenti A

distanza-remote-sensing di EOS nel programma di EOS della NASA (terra

osservando sistema) ha scanalature di TIR (infrared termico) che sono

pre-flight calibrato alle attrezzature dell' appaltatore. Un progetto

per stabilire il traceability radiometrico fra gli standard degli

strumenti di EOS e di radiance del NIST TIR è in corso. Il progetto

comporterà, per la prima volta mai, la traversa-calibratura delle

sorgenti del corpo nero usate alle attrezzature dell' appaltatore con

un radiometro Termico-infrarosso portatile di trasferimento (TXR) dal

NIST. Il TXR sarà calibrato al NIST contro una sorgente criogenica

del corpo nero di gran-zona nell' ambiente della priorità bassa di 77

K della funzione di MBIR (infrared medio della priorità bassa). [ 1,

2, 3 ] Il TXR caratterizza due rivelatori fotoelettrici filtrati a

semiconduttore che ripartiscono un telescopio comune. Con lle

scanalature larghe del 1 µm concentrate 5 a µm e µm 10, è ottimizzato

per misurare il radiance da 200 K a 400 sorgenti di K. Tutta l'

ottica interna è raffreddata a 77 vicini K per ridurre la priorità

bassa e un selettore rotante interno fornisce la sottrazione della

priorità bassa.

Vibrational and Electronic Energy Levels of Polyatomic Transient Molecules

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A book, Vibrational and Electronic Energy Levels of Polyatomic Transient Molecules, by Marilyn E. Jacox [J. Phys. Chem. Ref. Data, Monograph 3 (1994)] and its recently published supplement [M.E. Jacox, J. Phys. Chem. Ref. Data 27(2), 115 (1998).] provide a unique resource for chemists and engineers. They contain a critical evaluation and summary of the experimentally determined vibrational fundamentals and electronic band origins of approximately 2135 neutral and ionic small transient molecules. The emphasis is on species with lifetimes too short for study using conventional sampling techniques. Such species are frequently present as reaction intermediates, and their detection is essential for in situ monitoring of chemical-based processes.

A number of molecules which might be considered borderline with regard to the short lifetime criterion have been included for the benefit of scientist and engineers involved in environmental research and monitoring, energetic materials, chemical vapor deposition, and plasma processing.

Spectroscopic measurements in the gas phase, in molecular beams, and in rare-gas and nitrogen matrices have been considered. The types of measurement surveyed include spectrometer and laser-based absorption and emission techniques, laser absorption with mass analysis, and photoelectron spectroscopy. Radiative lifetimes and principal rotational constants are included.

A computer-searchable database (NIST Standard Reference Database 26 --Vibrational and Electronic Energy Levels of Small Polyatomic Transient Molecules See also NIST Standard Reference Database 69) is available through the NIST Standard Reference Data Program. It is designed to give rapid access to experimental data on (a) the ground-state vibrational fundamentals of transient molecules with from 3 to 16 atoms; and (b) the electronic energy levels and excited-state vibrational fundamentals of transient molecules with from 3 to 6 atoms and of selected transient molecules with from 7 to 16 atoms. The associated literature references can also be displayed. There are 2135 molecules represented in the current version, which became available in early 1998.

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E > 20 keV, two-crystal transmission spectrometer

The Quantum Metrology Group has developed a versatile two-crystal transmission spectrometer for x-ray measurements above 20 keV. The instrument is located in the sub-basement of the Radiation Physics Building in a room containing a 400 keV, 20 mA tungsten x-ray unit which is the property of Division 846. The primary purpose of this x-ray unit is radiography, but it is available as a source of x-rays for the QMG spectrometer. This x-ray source can be used 1) as a source of characteristic x-ray transitions, 2) as a bremsstrahlung source for absorption measurements, and 3) as an excitation source for producing fluorescence radiation. Other lower energy x-ray sources such as Cu, Mo, and Ag can be set up at this instrument to provide the radiation that may be needed for a particular problem.

The spectrometer has several unique features which make it particularly well suited for precision wavelength measurements of characteristic lines, for absorption edge measurements, and for crystal diffraction studies. These features include: 1) diffraction crystals whose lattice spacing is known in terms of the meter with a relative uncertainty of 5 x 10^-8 (See lattice comparison), 2) sensitive angle interferometers with a resolution of 1 x 10^-9 rad, and 3) calibration of the angle interferometers based on measurements with an optical polygon.

Livelli di energia vibratorii ed elettronici delle molecole

transitorie poliatomiche

I livelli vibratorii ed elettronici del libro, di energia delle

molecole transitorie poliatomiche, da Marilyn E. Jacox [ J. Phys.

Chem. Riferimento. Dati, monografia 3 (1994) ] ed il relativo

supplemento recentemente pubblicato [ M.E. Jacox, J. Phys. Chem.

Riferimento. I dati 27(2), 115 (1998). ] forniscono una risorsa unica

per i chimici e gli assistenti tecnici. Contengono una valutazione e

un sommario critici dei fondamenti vibratorii sperimentalmente

risoluti e delle origini elettroniche della fascia di circa 2135

neutri e di piccole molecole transitorie ioniche. L' enfasi è sulla

specie con i corsi della vita troppo corti per lo studio usando le

tecniche di campionatura convenzionali. Tali specie sono

frequentemente presenti come intermediari di reazione e la loro

rilevazione è essenziale per in situ il controllo dei processi

prodotto-chemical-based. Un certo numero di molecole che potrebbero

essere considerate limite riguardo al test di verifica corto di corso

della vita sono state incluse a favore dello scienziato ed assistenti

tecnici addetti alla ricerca e controllo ambientale, materiali

energici, il deposito di vapore chimico ed elaborare del plasma. Le

misure spettroscopiche nella fase gassosa, nei fasci molecolari e

nelle tabelle dell' azoto e del raro-gas sono state considerate. I

tipi di misure esaminati includono lo spettrometro e tecniche

laser-laser-based dell' emissione e di assorbimento, assorbimento del

laser con analisi totale e la spettroscopia del fotoelettrone. I

corsi della vita radiattivi ed i costanti di rotazione principali sono

inclusi. Una base di dati reperibile dal calcolatore (i livelli

vibratorii ed elettronici della base di dati standard 26 di

riferimento del NIST -- di energia di piccole molecole transitorie

poliatomiche vedono inoltre la base di dati standard 69 di riferimento

del NIST) è disponibile con il programma standard di dati di

riferimento del NIST. È progettata dà l' accesso veloce ai dati

sperimentali (a) sui fondamenti vibratorii della terra-condizione

delle molecole transitorie con 3 - 16 atomi; e (b) i livelli di

energia elettronici ed i fondamenti vibratorii della eccit-condizione

delle molecole transitorie con 3 - 6 atomi e delle molecole

transitorie selezionate con 7 - 16 atomi. I riferimenti collegati

della letteratura possono anche essere visualizzati. Ci sono 2135

molecole rappresentate nella versione corrente, che è diventato

disponibile all'inizio di 1998.

La E > 20 keV, spettrometro della trasmissione del due-cristallo il

gruppo di metrologia di quantum ha sviluppato uno spettrometro

versatile della trasmissione del due-cristallo per le misure dei raggi

X superiore a 20 keV. Lo strumento è situato nello

secondario-scantinato della costruzione di fisica di radiazione in una

stanza che contiene i 400 keV, unità dei raggi X del tungsteno di 20

mA che è la proprietà di divisione 846. Lo scopo primario di questa

unità dei raggi X è radiografia, ma è disponibile come sorgente dei

raggi X per lo spettrometro di QMG. Questa sorgente dei raggi X può

essere usata 1) come sorgente delle transizioni caratteristiche dei

raggi X, 2) come sorgente di radiazione di frenamento per le misure di

assorbimento e 3) come sorgente di eccitazione per produrre la

radiazione di fluorescenza. Altre sorgenti più basse dei raggi X di

energia quali Cu, il Mo e l' AG possono essere installate a questo

strumento per fornire la radiazione che può essere necessaria per un

problema particolare. Lo spettrometro ha parecchie caratteristiche

uniche che gli rendono specialmente buono adatto per le misure di

lunghezza d'onda di precisione delle righe caratteristiche, per le

misure del bordo di assorbimento e per gli studi di cristallo di

diffrazione. Queste caratteristiche includono: 1) i cristalli di

diffrazione di cui il gioco della grata è conosciuto in termini di

tester con un' incertezza relativa di 5 x di 10-8 (vedere il confronto

della grata), 2) gli interferometri sensibili di angolo con una

risoluzione di 1 x di 10-9 rad e 3) la calibratura degli

interferometri di angolo hanno basato sulle misure con un poligono

ottico.

Schematic of NIST high-energy two crystal facility

The layout of the experimental facility is shown in the figure. The spectrometer, collimators, and detector are located on a 1.2 m x 3 m steel table which is supported on air springs for vibration isolation. The spectrometer is stationary, the source rotates around the first crystal, and the detector rotates around the second crystal. There are Soller collimators between the source and first crystal, between the two crystals(not shown), and between the second crystal and the detector. The spectrometer control electronics are located in an adjacent room that also houses the tungsten x-ray tube power supply. A personal computer running LabVIEW software is the heart of the data logging system.

Precision wavelength measurements for energies > 20 keV are the main thrusts of the scientific program associated with this facility. For example, samples of high-Z elements such as Pb, Th, and U have been excited by florescence and the emitted characteristic transitions measured. Absorption edge profiles for Er and Pb have been recorded by placing foils in the bremsstrahlung radiation emitted by the tungsten x-ray tube. Although wavelength measurements are emphasized, the facility is quite flexible and we do not hesitate to configure the source, inter-crystal, and detector regions to accommodate a particular measurement. In addition, the usual flat crystals used in transmission can be replaced with other crystal geometries. For example, in a recent measurement of a diffraction grating, a copper x-ray source was used with channel cut crystals, a diffraction grating between the crystals, and a fixed detector behind the second crystal. Finally, this spectrometer and the gamma-ray spectrometer at the ILL are very similar, providing us with a NIST-based test bed for the gamma-ray measurements.

Vacuum Double-Crystal Spectrometer:

A vacuum double-crystal spectrometer with high-resolution angle encoders is used to measure x-ray wavelengths with energies from 1 keV to 20 keV to high precision. Absolute accuracy is obtained by a calibration chain linking the lattice spacing of the diffraction crystals to the definition of the meter via x-ray optical interferometry. The measurement sequence involves measuring profile scans in the dispersive and non-dispersive geometries and determining the Bragg angle, and hence wavelength, from the measured angle between plus- and minus-scan diffraction features. Wavelength measurements complement efforts of a new wavelength tables project as well as provide secondary energy standards for other experiments both here at NIST and around the world. An example of the latter is a measurement of Sc Ktransition with a relative error of 1 x 10^-6 in support of a new measure of the mass of the pion underway at the Paul Scherer Institute.

Lo schema d'una funzione ad alta energia dei due cristalli del NIST la

disposizione dell' impianto sperimentale è indicato nella la figura.

Lo spettrometro, i collimatori ed il rilevatore sono situati sulle

1,2 m. x una tabella d'acciaio da 3 m. che è sostenuta sulle molle

dell' aria per isolamento antivibrante. Lo spettrometro è

stazionario, la sorgente ruota intorno al primo cristallo ed il

rilevatore ruota intorno al secondo cristallo. Ci sono collimatori di

Soller fra la sorgente ed il primo cristallo, fra il crystals(not due

indicato) e fra il secondo cristallo ed il rilevatore. L' elettronica

di controllo dello spettrometro è situata in una stanza adiacente che

egualmente alloggia il gruppo di alimentazione del tubo dei raggi X

del tungsteno. Un personal computer che fa funzionare il software di

LabVIEW è il cuore del sistema di registrazione di dati. Le misure

di lunghezza d'onda di precisione per le energie > 20 keV sono le

spinte principali del programma scientifico connesso con questa

funzione. Per esempio, i campioni degli elementi di high-Z quali Pb,

Th ed U sono stati eccitati dal florescence e dalle transizioni

caratteristiche emesse misurate. I profili del bordo di assorbimento

per er ed il Pb sono stati registrati disponendo le stagnole nella

radiazione di radiazione di frenamento emessa dal tubo dei raggi X del

tungsteno. Anche se le misure di lunghezza d'onda sono date risalto

a, la funzione è abbastanza flessibile e non esitiamo a configurare

le regioni intercristalline e e del rilevatore di sorgente, per

accomodare una misura particolare. In più, i cristalli piani usuali

usati nella trasmissione possono essere sostituiti con altri

geometries di cristallo. Per esempio, in una misura recente d'un

reticolo di diffrazione, una sorgente di rame dei raggi X è stata

usata con i cristalli del taglio della scanalatura, un reticolo di

diffrazione fra i cristalli e un rilevatore fisso dietro il secondo

cristallo. Per concludere, questo spettrometro e lo spettrometro dei

raggi gamma al ILL sono molto simili, fornendoci un banco di prova di

NIST-based per le misure dei raggi gamma. Lo spettrometro del

doppio-cristallo di vuoto di vuoto Double-Crystal Spectrometer:A con i

codificatori di angolo ad alta definizione è utilizzato per misurare

le lunghezze d'onda dei raggi X con le energie da 1 keV a 20 keV ad

alta precisione. L' esattezza assoluta è ottenuta da una catena di

calibratura che collega il gioco della grata dei cristalli di

diffrazione alla definizione del tester via l' interferometria ottica

dei raggi X. La sequenza di misura coinvolge misurare le esplorazioni

di profilo nei geometries dispersivi e non-dispersivi e determinare l'

angolo di Bragg e quindi la lunghezza d'onda, dall' angolo misurato

fra il più e meno-esplora le caratteristiche di diffrazione. Le

misure di lunghezza d'onda gli sforzi del complemento che di nuova

lunghezza d'onda pospone il progetto così come forniscono gli

standard secondari di energia per altri esperimenti sia qui al NIST

che intorno al mondo. Un esempio del posteriore è una misura della

transizione dello Sc K con un errore relativo di 1 x di 10-6 a

sostegno di nuova misura della massa del pion in corso all' istituto

del Paul Scherer.

One of the largest systematic corrections in the crystal diffraction method involves the angular shift due to the index of refraction of the crystal. Different schemes are being undertaken in our laboratory to measure directly the index of refraction at soft x-ray energies. Each employs diffraction from more than one set of planes of a crystal that has been specially aligned and cut. The experiments are designed to maximize the refraction effect and use knowledge of the relative orientation of diffraction planes as an internal gauge. One such experiment is shown here that employs a thin silicon lamella in the second crystal position. It has been cut such that the Si(220) planes are both parallel and perpendicular to the surface. By measuring the diffraction profile from this crystal both in transmission and reflection, one has a determination of the index of refraction correction at that given wavelength: it is the deviation of the two measured profiles from 90 degrees since there is no refractive shift in the transmission case.

Una di più grandi correzioni sistematiche nel metodo di cristallo di

diffrazione coinvolge lo spostamento angolare dovuto l' indice di

rifrazione del cristallo. Gli schemi differenti stanno decidendi nel

nostro laboratorio per misurare direttamente l' indice di rifrazione

alle energie morbide dei raggi X. Ciascuno impiega la diffrazione da

più di un insieme dei piani d'un cristallo che è stato stato

allineato specialmente e taglio. Gli esperimenti sono destinati per

elevare l' effetto di rifrazione e per usare la conoscenza dell'

orientamento relativo degli aerei di diffrazione come calibro interno.

Un tale esperimento è indicato qui che impiega una lamella sottile

del silicone nella seconda posizione di cristallo. È stato tagliato

tali che Si(220) gli aerei sono sia parallelo che perpendicolare alla

superficie. Misurando il profilo di diffrazione da questo cristallo

sia nella trasmissione che nella riflessione, una ha una

determinazione dell' indice di rifrazione la correzione a quella data

lunghezza d'onda: è la deviazione dei due profili misurati da 90

gradi poiché non ci è variazione rifrangente nel caso della

trasmissione.

Gamma-ray Wavelengths, ILL

NIST has developed a two crystal transmission spectrometer for studying gamma radiation. The spectrometer along with the associated environmental chamber, collimators, detector, and electronics is located at the high flux reactor of the Institute Max von Laue-Paul Langevin (ILL), Grenoble, France. NIST uses a reactor in France for precision gamma-ray measurements because this reactor is the only facility in the world that has the capability to insert sources next to the reactor core. The gamma-rays are produced using an (n,) reaction and most of the radiation studied consists of prompt gamma-rays, i.e., the reactor must be critical for gamma-rays to be available.

Schematic of GAMS4 Precision gamma-ray spectroscopy facility (larger view).

The NIST/ILL collaboration has endured for more than 15 years, during which time the spectrometer and the associated facilities have been continually improved. The facility is called GAMS4 and is a regularly scheduled instrument of College 3: Nuclear and Particle Physics of the ILL. Beamtime is awarded through peer reviewed proposals (Even NIST scientists must submit proposals to obtain beamtime!) and the demand is typically a factor of three larger than the available time. Many scientists from a variety of countries use the facility and a large number of PhD degrees have been awarded for measurements made on GAMS4. Although the initial investment of NIST was quite high, the ILL has assumed major responsibility for the environmental hutch, the detectors, the data computers, and the general maintenance of the facility. The spectrometer is located on the main reactor floor at the end of a through tube. A layout of the GAMS4 facility is shown in the figure. The source changing mechanism is located between the reactor biological shield and the GAMS4 environmental chamber. The environmental chamber is constructed out of concrete blocks lined with acoustical insulation and contains the vibration isolation platform, the spectrometer, the collimators, and the detector. The position of the vibration isolation platform is stabilized with respect to the reactor floor (a few x 10^-6 m and a few x 10^-5 rad) so that the spectrometer is fixed with respect to the source. Some of the unique features of the GAMS4 spectrometer are 1) the diffraction crystals, 2) the angle interferometers, and 3) the angle calibration. The crystals are nearly perfect specimens of Si and Ge whose lattice spacing, d, is measured in meters with a relative uncertainty of approximately 5 x 10^-8. The diffraction angles, , are measured with heterodyne Michelson interferometers that have a resolution near 5 x 10^-10 rad. This resolution is necessary because the diffraction angles are small (a few degrees to < 0.1 degree) and measurements with a relative uncertainty near 10^-7 are needed. The interferometers are calibrated from first principles using an optical polygon. Gamma-ray wavelengths, are obtained from the Bragg equation, = 2d sin. A detailed description of the GAMS4 facility is given in Ref [1]. The GAMS4 scientific program is concentrated in four areas 1) gamma-ray wavelengths, 2) diffraction studies, 3) nuclear lifetimes, and 4) interatomic potentials. The primary interest of NIST is in areas 1) and 2), but we have participated in measurements in all four areas. Wavelength measurements for energies up to about 6 MeV (0.2 x 10^-12 m) have been made with this facility. These wavelengths are linked, through the crystals, to optical wavelengths (0.5 x 10^-6 m), a span of more than 6 orders of magnitude. Wavelengths measured with the techniques developed here are the basis for a set of gamma-ray energy standards used throughout the world. By determining specific gamma-ray transition energies, the binding energy of an (n,) reaction can be determined. GAMS4 has been used to measure the binding energy of several light nuclei including deuterium which led to a new value for the neutron mass [2,3]. Additional binding energy measurements are planned for the future. Intense gamma-ray lines are available with energies more than 10 times higher than common characteristic x-ray lines. These lines provide access to an energy region in which crystal diffraction has not been extensively studied. We have demonstrated this capability by making structure factor measurements in Ge at an energy > 1 MeV [4]. Proposals to make additional crystal diffraction measurements are under consideration. Because of the high resolving power of GAMS4, broadening and fine-scale structural detail can be seen in individual gamma-ray profiles. These line shapes are understood as recoil-induced Doppler profiles modulated by deceleration of the recoiling atom as it collides with neighboring atoms. These profiles provide a means for determining nuclear excited state lifetimes in the sub-picosecond domain and a fertile test bed for models of inter-atomic potentials in the 10 eV to 100 eV range [5]. Le lunghezze d'onda dei raggi gamma, NIST MALATO ha sviluppato uno spettrometro della trasmissione dei due cristalli per studiare la radiazione gamma. Lo spettrometro con la camera a atmosfera controllata, i collimatori, il rilevatore e l' elettronica collegati è situato all' alto reattore di cambiamento continuo dell' istituto Max von Laue-Paul Langevin (MALATO), Grenoble, Francia. Il NIST utilizza un reattore in Francia per le misure dei raggi gamma di precisione perché questo reattore è l' unica funzione nel mondo che ha la possibilità per inserire le sorgenti vicino al nucleo del reattore. I raggi gamma sono prodotti usando (n) una reazione e la maggior parte della radiazione studiata consiste dei raggi gamma rapidi, cioè, il reattore deve essere critico affinchè i raggi gamma sia disponibile. Schema della funzione di spettroscopia dei raggi gamma di precisione GAMS4 (più grande vista). La collaborazione di NIST/ILL ha resistito a per più di 15 anni, e nel frattempo lo spettrometro e le attrezzature collegate sono stati migliorati continuamente. La funzione è chiamata GAMS4 ed è uno strumento regolarmente previsto dell' università 3: La fisica della particella e nucleare dell' Illinois Beamtime riceve con le proposte riviste il pari (anche gli scienziati del NIST devono presentare le proposte per ottenere il beamtime!) e la richiesta è tipicamente un fattore di tre più grandi del tempo disponibile. Molti scienziati da una varietà di paesi usano la funzione e tantissimi gradi di PhD hanno ricevuto per le misure effettuate su GAMS4. Anche se l' investimento iniziale del NIST era abbastanza alto, il ILL ha assunto la responsabilità principale del hutch ambientale, dei rilevatori, dei calcolatori di dati e del mantenimento generale della funzione. Lo spettrometro è situato sul pavimento principale del reattore alla conclusione della a attraverso il tubo. Una disposizione della funzione GAMS4 è indicata nella la figura. Il meccanismo cambiante di sorgente è situato fra lo schermo biologico del reattore e la camera a atmosfera controllata GAMS4. La camera a atmosfera controllata è costruita dai blocchi concreti allineati con isolamento acustico e contiene la piattaforma di isolamento antivibrante, lo spettrometro, i collimatori ed il rilevatore. La posizione della piattaforma di isolamento antivibrante è stabilizzata riguardo al pavimento del reattore (alcuni x 10-6 m. ed alcuni x 10-5 rad) in modo che lo spettrometro sia fisso riguardo alla sorgente. Alcune delle caratteristiche uniche dello spettrometro GAMS4 sono 1) i cristalli di diffrazione, 2) gli interferometri di angolo e 3) la calibratura di angolo. Gli a cristallo sono esemplari quasi perfetti di silicone e del GE di cui il gioco della grata, d, è misurato in tester con un' incertezza relativa di circa 5 x di 10-8. La diffrazione si inclina, è misurata con gli interferometri di Michelson dell' eterodina che hanno una risoluzione vicino a 5 x a 10-10 rad. Questa risoluzione è necessaria perché gli angoli di diffrazione è piccola (alcuni gradi < 0,1 gradi) e le misure con un' incertezza relativa vicino a 10-7 sono necessarie. Gli interferometri sono calibrati dai primi principii usando un poligono ottico. Le lunghezze d'onda dei raggi gamma, sono ottenute dall' equazione di Bragg, = 2d sin. Una descrizione dettagliata della funzione GAMS4 è data nel riferimento [ 1 ]. Il programma scientifico GAMS4 è concentrato in quattro lunghezze d'onda dei raggi gamma di zone 1), 2) studi di diffrazione, 3) corsi della vita nucleari e 4) potenziali interatomic. L' interesse primario del NIST è nelle zone 1) e 2), ma abbiamo partecipato alle misure in tutte e quattro le zone. Misure di lunghezza d'onda per le energie fino a circa 6 MeV (0,2 x 10-12 m) sono stati fatti con questa funzione. Queste lunghezze d'onda sono collegate, attraverso i cristalli, alle lunghezze d'onda ottiche (0,5 x 10-6 m), una portata di più di 6 ordini di grandezza. Le lunghezze d'onda misurate con le tecniche sviluppate qui sono la base per un insieme degli standard di energia dei raggi gamma usati durante il mondo. Determinando le energie specifiche di transizione dei raggi gamma, l' energia di legame (n) d'una reazione può essere determinata. GAMS4 è stato usato per misurare l' energia di legame di parecchi nuclei leggeri compreso il deuterio che ha condotto ad un nuovo valore per la massa del neutrone [ 2.3 ]. Le misure supplementari di energia di legame sono progettate per il futuro. Le righe intense dei raggi gamma sono avoirdupois

X-ray Wavelength Tables

We are engaged in a long-term effort to produce an improved comprehensive table for K and L x-ray transition energies connecting energy levels with n = 1-4. Our approach combines highly selected experimental data with state-of-the-art theoretical calculations to obtain transition energies for elements from neon to fermium.

This project is motivated by experimental and theoretical developments in the x-ray region that have occurred in the past 25 years. On the experimental side, combined x-ray and optical interferometry now provides accurate linkage of crystal spacing to optical wavelengths, and through these to the SI definition of length; this allows accurate x-ray wavelength values to be obtained from accurate measurements of diffraction angles. Using this approach a number of x-ray reference lines were accurately measured by a few groups of experimenters.

Figure 1. The fractional difference [(experiment-theory)/experiment] between experiment and theory as a function of Z for the Ktransition.

For 10 < Z < 25 the fractional difference ranges from -0.0008 to 0. For Z > 25, the fractional difference is approximately 0.

On the theoretical side, relativistic many-body calculations of atoms are now understood with sufficient detail to obtain meaningful transition energies between hole states. The calculations cover the atomic numbers from 10 to 100 and include nuclear size corrections, relativistic effects, Coulomb and Breit correlations, radiative (QED) corrections and Auger shifts.

Although the experimental data that are well connected to the meter are limited, they span the periodic table leaving average gaps < 5 elements. By comparing these experimental values with the theoretical predictions, an experiment-theory correction curve as a function of Z is obtained. Assuming that the experimental measurements are accurate, then the correction curve can be viewed as a measure of the deficiency of the theory. The next step is to use the all-Z theoretical values along with the correction curve to obtain experimental estimates for elements that are difficult to directly measure. In actual practice, for the prominent transitions the theory and experiments have converged so that the correction curve is zero within the uncertainty. In addition to the more recent experimental data we have included values from previous compilations corrected for changes in fundamental constants and conversion factors. In general these values have larger uncertainty than the more recent data, but agree quite well with the theoretical predictions. In the figure we show the experiment-theory values for the Ktransition as a function of Z. For less prominent lines the discrepancy between experiment and theory is larger and there are larger gaps in which experimental measurements do not exist.

The list of lines included in the data base is given in the following table. An earlier excerpt of this work (only the more prominent lines) is included in the new edition of the International Tables for Crystallography [1]. A description of the overall plan of this tabulation is available in ref. [2].

la lunghezza d'onda di vX-ray li pospone è agganciata in uno sforzo

di lunga durata produrre una tabella completa migliorata per K e la L

energie di transizione dei raggi X che collegano i livelli di energia

con n = 1-4. Il nostro metodo unisce i dati sperimentali altamente

selezionati con le calcolazioni teoriche avanzate per ottenere le

energie di transizione per gli elementi da neon al fermium. Questo

progetto è motivato tramite gli sviluppi sperimentali e teorici nella

regione dei raggi X che si sono presentati durante i 25 anni scorsi.

Dal lato sperimentale, i raggi X uniti e l' interferometria ottica ora

forniscono il collegamento esatto di gioco di cristallo alle lunghezze

d'onda ottiche e con questi alla definizione di SI della lunghezza;

ciò permette che i valori esatti di lunghezza d'onda dei raggi X

siano ottenuti dalle misure esatte degli angoli di diffrazione.

Usando questo metodo un certo numero di linee di riferimento dei raggi

X sono state misurate esattamente da alcuni gruppi degli

sperimentatori.

Figura 1. La differenza frazionaria [ (experiment-theory)/experiment

] fra l' esperimento e la teoria in funzione della Z per la

transizione di K. Per 10 < la Z < 25 la differenza frazionaria varia

da -0,0008 a 0. Per la Z > 25, la differenza frazionaria è circa 0.

Dal lato teorico, le calcolazioni relativistiche del molto-corpo

degli atomi ora sono capite con il particolare sufficiente per

ottenere le energie espressive di transizione fra le condizioni del

foro. Le calcolazioni riguardano i numeri atomici da 10 a 100 ed

includono le correzioni nucleari di formato, gli effetti

relativistici, le correlazioni di Breit e di coulomb, le correzioni

radiattive (QED) e gli spostamenti della coclea. Anche se i dati

sperimentali che sono collegati bene al tester sono limitati, misurano

la tabella periodica che lascia le lacune medie < 5 elementi.

Paragonando questi valori sperimentali alle previsioni teoriche, una

curva di correzione di esperimento-teoria in funzione della Z è

ottenuta. Supponendo che le misure sperimentali sono esatte, allora

la curva di correzione può essere osservata come misura della

mancanza della teoria. Il punto seguente è usare i valori teorici di

all-Z con la curva di correzione per ottenere le valutazioni

sperimentali per gli elementi che sono difficili direttamente da

misurare. Nella pratica reale, dato che nelle transizioni prominenti

la teoria e negli esperimenti ha converso in modo che la curva di

correzione fosse zero all'interno dell' incertezza. Oltre che i dati

sperimentali più recenti abbiamo incluso i valori dalle compilazioni

precedenti corrette per i cambiamenti nei costanti e nei fattori

fondamentali di conversione. In generale questi valori hanno più

grande incertezza che i dati più recenti, ma sono d'accordo

abbastanza bene con le previsioni teoriche. Nella la figura mostriamo

che i valori di esperimento-teoria per la transizione di K in funzione

delle righe meno prominenti dello Z. For la discrepanza fra l'

esperimento e la teoria è più grandi e ci sono più grandi lacune in

cui le misure sperimentali non esistono. La lista delle righe

allegate alla base di dati è data nella seguente tabella. Un brano

più in anticipo di questo lavoro (soltanto le righe più prominenti)

è incluso nella nuova edizione delle Tabelle internazionali per la

cristallografia [ 1 ]. Una descrizione del programma generale di

questa tabulazione è disponibile in rif. [ 2 ].

K lines		L lines
Levels	Transition	Levels	Transition	Levels	Transition	Levels	Transition
K-L2	K	L1-M1		L2-M1	L	L3-M1	Ll