Ion dynamics in radio-frequency traps
Dynamique d'ions en pièges radio-fréquences
Résumé
Ion traps, using radio-frequency (rf) electric fields, offer the possibility to store ion ensembles in a small region of space where, by means of cooling technics, their temperature can be reduced to some tenth of millikelvin. The aim of the work presented in this thesis is to theoretically study some aspects of the dynamics of trapped ions under Doppler laser cooling. To this aim, a numerical program using molecular dynamics technics and parallelization methods has been developed. In a first part, this thesis introduces the necessary fundamentals to understand the dynamics of ions in rf traps and justify the different models used in the simulations. In a second part, a study of the influence of the morphology of cold structures of ions on the Doppler cooling efficiency is presented, in the particular case of linear quadrupole rf traps. Then, a study of some properties of Doppler cooled ion structures in the general case of linear higher-order rf traps is presented. The last chapter of the manuscript is a proposal allowing one to obtain additional rf field-free regions in linear higher-order rf traps.
Les pièges à ions, utilisant des champs électriques radio-fréquences (rf), offrent la possibilité de confiner des ensembles d'ions dans un domaine restreint de l'espace où, au moyen de diverses techniques de refroidissement, leur température peut être réduite jusqu'à quelques dixièmes de millikelvin. Le but du travail présenté dans cette thèse est d'étudier de façon théorique certains aspects de la dynamique des ions piégés et soumis au refroidissement laser Doppler. Dans ce but, un programme numérique utilisant la technique de la dynamique moléculaire et des méthodes de parallélisation a été développé. Dans une première partie, cette thèse introduit les connaissances nécessaires à la compréhension de la dynamique des ions en piège rf et justifie les différents modèles utilisés lors des simulations. Dans une seconde partie, une étude de l'influence de la morphologie des structures d'ions à basse température sur l'efficacité du refroidissement Doppler est présentée, dans le cas particulier des pièges quadrupolaires linéaires. Puis, une étude des propriétés des structures d'ions soumises au refroidissement Doppler dans le cas général des multipôles d'ordres supérieurs est présentée. Le dernier chapitre du manuscrit est une proposition permettant d'obtenir des régions exemptes de champ rf supplémentaires dans les multipôles linéaires d'ordre supérieurs.
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