第 5 章 内部状態選択による非弾性散乱の制御 153
5.4 電荷交換断面積
5.4.4 電荷交換断面積のエネルギー依存性
図59 D3/2状態のCa+イオンロスレートの外部電場による変化．
42S1/2, 42P1/2, 32D3/2 混合状態
5.2の内部状態の操作で記述したように寿命の短い42P1/2 状態のカルシウムイ オンについての測定を行うために冷却レーザーとリポンプレーザーを照射しつづけ てリチウム原子気体とオーバーラップした．このときカルシウムイオンは42S1/2, 42P1/2, 32D3/2 の混合状態である．この混合状態の電荷交換レートΓSP D を考える とカルシウムイオンが観測される確率NSP D はNSP D = e−ΓSP Dt とかける．この 関数をフィッティングに使用し，電荷交換レートを求めた．
である．また，破線は1/Ecoll1/2 によるフィッティングである．フィッティング結果 より電荷交換断面積のエネルギー依存性はランジュバン散乱断面積と同じ依存性を 示すことが見て取れる．これは測定エネルギー領域で電荷交換散乱のメカニズムが ランジュバン散乱で説明できることを示していると考えられる．電荷交換散乱は原 子に束縛された電子がもう一方に飛び移る現象であるから散乱する2粒子の原子核 が近接しなければ起こり得ない．その点ランジュバン散乱は2.3.2に記したように，
粒子が内向きのスパイラルを描きつつ近接し，散乱する過程である．ランジュバン 散乱の場合，古典的転回点まで粒子が近接するので電子が飛び移ることができると 考えられる．今回測定した散乱エネルギーkB ×0.002-3 K 程度の領域では古典的 なランジュバン散乱によって説明できることがわかる．s波散乱閾温度は10.6 µK であるから100倍以上の散乱エネルギーでは妥当な結果と言える．
カルシウムイオンのD3/2 とD5/2 状態の測定中は冷却光が照射されていないの
で5.3.3で議論した混合中のエネルギー変化を考慮する必要がある．混合中の1秒
間にRFノイズに起因する過熱70 mK よりもイオンの運動エネルギーが低い領域 は図 60(b), (c)の白抜きデータ点で示した．なお，このデータ点は上の1/Ecoll1/2 の フィッティングや以下に示す結果からも解析において除外した．
今回得られたエネルギー依存性には形状共鳴 (Shape resonance) が観測されな かった. 形状共鳴とは原子-イオン間相互作用による引力ポテンシャルに対して外側 に遠心力のポテンシャルが存在すると遠心力ポテンシャルの内側に準安定な束縛状 態が形成される．散乱エネルギーがこの束縛状態のエネルギーに一致するときに一 時的に準安定状態に束縛されるために生じる共鳴現象である（2.3.3を参照）．理論 的な解析では図 61示したように基底状態における放射性の電荷交換散乱あるいは 分子生成において形状共鳴を確認している[130]．形状共鳴がみられなかった理由 カルシウムはイオンがトラップされていることに起因していると考えられる．粒子 線による反応の研究の場合，並進温度は高いものの，温度広がりの狭い速度がよく フィルタリングされている．一方で中性原子-イオン混合系では到達温度は低いもの の原子あるいはカルシウムイオンがトラップされているためトラップ内の運動は速 度広がりを持つために共鳴が存在しても測定するとなまって見えてしまう．以上が 今回の測定で形状共鳴が観測されなかった理由と考えれれる．
上記のようにカルシウムイオンがトラップされていることによる散乱エネルギー の広がりを図 60中の横軸エラーとして示した．
図60 内部状態ごとの電荷交換断面積のエネルギー依存性．
図61 中性原子-イオン混合系における基底状態の放射性電荷交換散乱断面積と 放射性分子生成断面積の和の散乱エネルギー依存性[130]．Li-Ca+以外の系につ いては文献[131]にあるものと同一．