Cryogenic Ion Traps for Reaction Dynamics (39 chars)

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博士后开题汇报:《低温离子阱设计及反应动力学实验研究》 幻灯片1:封面 标题:低温离子阱设计及反应动力学实验研究 博士后:肖越 导师:杨天罡 单位:南方科技大学 背景图片建议:低温离子阱装置或星际分子云示意图(留空) 幻灯片2:目录 1. 研究背景与意义 2. 理论模型发展 3. 实验装置演进 4. 我们的实验平台 5. C⁺ + H₂反应研究 6. Zeeman极化取向反应 7. 研究计划与风险分析 8. 预期成果与致谢 幻灯片3:研究背景——多领域应用 内容:低温离子–分子反应在星际介质、大气化学、高超声速飞行器模拟中的关键作用。 图片建议:三栏拼图(星际云、地球大气层、飞行器等) 幻灯片4:理论模型发展 内容:Langevin捕获模型与量子散射理论对比;取向效应与能量面复杂性。 图片建议:势能面曲线 + 取向角依赖图 幻灯片5:实验装置演进 内容:FA→SIFT→CRESU→交叉束VMI→冷却离子阱 图片建议:装置发展时间轴(留空) 幻灯片6:我们的装置平台 内容:超声分子束+冷却离子阱一体化平台;Be⁺激光冷却、液氮冷却、纳秒探测系统。 图片建议:装置结构示意图或实验台实拍(留空) 幻灯片7:C⁺ + H₂反应研究(1) 内容:研究目标与实验方法:Be⁺协同冷却、受激拉曼激发H₂(v=1)、反应速率与分支比测定。 图片建议:反应通道示意或激光装置图(留空) 幻灯片8:C⁺ + H₂反应研究(2)与取向反应 内容:挑战与对策;低温团簇控制;背景扣除方法;向Zeeman极化体系扩展。 图片建议:分子取向控制示意图(留空) 幻灯片9:Zeeman极化取向反应研究 内容:Zeeman极化Be⁺ + 激光对准H₂;不同取向角速率常数;外场调控化学反应。 图片建议:磁场+激光取向角度示意(留空) 幻灯片10:研究计划 内容:2025.11–2027.11分阶段研究:理论分析、C⁺+H₂实验、Zeeman取向实验、数据分析。 图片建议:甘特图或时间轴(留空) 幻灯片11:可行性与风险评估 内容:创新点、实验可靠性、团队经验;风险:团簇、极化纯度、信号提取;对应措施。 图片建议:风险-对策对照表(留空) 幻灯片12:预期成果 内容:装置升级、C⁺+H₂反应数据、立体动力学结果、2–3篇SCI论文。 图片建议:成果图标集(留空) 幻灯片13:致谢 内容:南方科技大学、导师与团队支持。 背景图建议:实验室合影或离子阱照片(留空)

Postdoc proposal on low-temp ion trap design with supersonic beams for C⁺ + H₂ kinetics and Zeeman-polarized reactions. Covers astrochem background, theory, setup evolution, methods, challenges, 2-yr

December 13, 202513 slides
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Slide 1 - 低温离子阱设计及反应动力学实验研究

This title slide presents "Design of Low-Temperature Ion Traps and Experimental Study on Reaction Dynamics." It credits postdoc Xiao Yue, supervised by Yang Tianguang at Southern University of Science and Technology.

博士后:肖越

导师:杨天罡 单位:南方科技大学

Source: 低温离子阱装置或星际分子云示意图

Slide 1 - 低温离子阱设计及反应动力学实验研究
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Slide 2 - 目录

Slide 2 - 目录
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Slide 3 - 研究背景——多领域应用

This slide, titled "Research Background—Multi-Domain Applications," highlights applications in three key areas. It covers driving molecular formation and astrochemistry evolution in the interstellar medium, regulating ion balance and reaction chains in atmospheric chemistry, and simulating low-temperature plasma sheaths for hypersonic vehicles.

研究背景——多领域应用

  • 星际介质:驱动分子形成与天体化学演化
  • 大气化学:调控离子平衡与反应链
  • 高超声速飞行器:模拟低温等离子体鞘层

Source: 博士后开题汇报:《低温离子阱设计及反应动力学实验研究》

Speaker Notes
突出低温离子-分子反应的跨领域关键作用,配合三栏拼图图片(星际云、地球大气层、飞行器)。
Slide 3 - 研究背景——多领域应用
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Slide 4 - 理论模型发展

The slide on "Theoretical Model Development" contrasts the classical Langevin capture model, which offers a simple, low-temperature-independent rate constant but ignores quantum effects and anisotropies, in the left column. The right column presents quantum scattering theory, a full quantum framework capturing resonances, tunneling, orientation effects, and low-temperature reaction mechanisms.

理论模型发展

Langevin捕获模型量子散射理论
经典离子诱导偶极捕获理论。速率常数k=2πq√(α/μ),低温下温度独立。简单有效,但忽略量子效应、取向依赖及势能面各向异性。(28字)全量子框架,包含散射共振、隧穿。精确捕捉取向效应与复杂PES结构。揭示低温反应微观机制与立体动力学。(26字)

Source: 低温离子阱设计及反应动力学实验研究

Speaker Notes
对比Langevin模型与量子散射理论,强调取向效应与PES复杂性。图片建议:势能面曲线 + 取向角依赖图。
Slide 4 - 理论模型发展
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Slide 5 - 实验装置演进

This slide presents a timeline of the evolution of experimental devices for studying reaction dynamics, starting with the Flowing Afterglow (FA) in the 1960s for ion-molecule kinetics. Key advancements include SIFT in 1976 for precise ion selection, CRESU in 1985 for millikelvin temperatures, crossed-beam VMI in the 1990s for stereodynamics, and laser-cooled ion traps in the 2010s for picokelvin control.

实验装置演进

1960s: 流动后辉 (FA) 最早用于离子-分子反应动力学研究的流动后辉放电装置。 1976: 选择离子流动管 (SIFT) 选择特定离子注入缓冲气流动管,实现精确反应速率测量。 1985: CRESU 装置 连续均匀超声流反应器,首次实现毫开尔文级低温反应研究。 1990s: 交叉束 VMI 交叉分子束结合速度图成像,解析反应立体动力学细节。 2010s: 冷却离子阱 激光冷却离子阱,实现皮开尔文级超低温反应动力学控制。

Slide 5 - 实验装置演进
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Slide 6 - 我们的装置平台

The slide, titled "Our Device Platform," features an image of an integrated ultrasonic molecular beam and cooling ion trap platform. It highlights the Be⁺ laser cooling system alongside the liquid nitrogen cooling and nanosecond detection system.

我们的装置平台

!Image

  • 超声分子束+冷却离子阱一体化平台
  • Be⁺激光冷却系统
  • 液氮冷却与纳秒探测系统

Source: 博士后开题汇报:《低温离子阱设计及反应动力学实验研究》

Slide 6 - 我们的装置平台
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Slide 7 - C⁺ + H₂反应研究(1)

This slide outlines the research goal of studying low-temperature kinetics of the C⁺ + H₂ reaction. It details methods including Be⁺ sympathetic cooling for low ion temperatures, stimulated Raman excitation of H₂(v=1), and measurements of reaction rate constants and product branching ratios.

C⁺ + H₂反应研究(1)

  • 研究目标:低温C⁺ + H₂反应动力学
  • Be⁺协同冷却实现离子低温
  • 受激拉曼激发H₂(v=1)振动态
  • 测定反应速率常数
  • 测定产物分支比

Source: 博士后开题汇报:《低温离子阱设计及反应动力学实验研究》

Speaker Notes
强调Be⁺冷却和Raman激发的创新性,图片用反应通道示意图。
Slide 7 - C⁺ + H₂反应研究(1)
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Slide 8 - C⁺ + H₂反应研究(2)与取向反应

This slide on the C⁺ + H₂ reaction study (part 2) and orientation reactions highlights key strategies. It covers identifying challenges with countermeasures, precise low-temperature cluster control, optimized background subtraction, and extension to Zeeman polarized systems.

C⁺ + H₂反应研究(2)与取向反应

  • 识别关键挑战并制定对策
  • 低温团簇精确控制策略
  • 背景扣除方法优化
  • 扩展至Zeeman极化体系

Source: 博士后开题汇报:《低温离子阱设计及反应动力学实验研究》

Slide 8 - C⁺ + H₂反应研究(2)与取向反应
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Slide 9 - Zeeman极化取向反应研究

This slide presents a four-stage workflow for Zeeman polarization orientation reaction research on Be⁺ ions. It covers magnetic field polarization, H₂ laser alignment, low-temperature ion trap kinetics measurements, and external field optimization for stereodynamics.

Zeeman极化取向反应研究

{ "headers": [ "阶段", "主要任务", "关键技术" ], "rows": [ [ "1. Be⁺ Zeeman极化", "施加强磁场极化离子", "磁场强度控制,自旋选择规则" ], [ "2. H₂激光取向", "非谐振激光脉冲对准", "偏振方向,取向角调节" ], [ "3. 反应动力学测量", "不同取向角碰撞实验", "低温离子阱,速率常数获取" ], [ "4. 外场调控分析", "磁场/激光参数优化", "反应分支比,立体动力学" ] ] }

Source: Zeeman极化Be⁺ + 激光对准H₂;不同取向角速率常数;外场调控化学反应。

Speaker Notes
图片建议:磁场+激光取向角度示意。
Slide 9 - Zeeman极化取向反应研究
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Slide 10 - 研究计划

The research plan timeline spans November 2025 to November 2027, beginning with theoretical analysis to model and predict C⁺ + H₂ reaction rates and branching ratios. It proceeds through low-temperature C⁺ + H₂ experiments with Be⁺ cooling and Raman excitation, Zeeman orientation measurements, and ends with data analysis, stereodynamics evaluation, and paper writing.

研究计划

2025.11–2026.04: 理论分析阶段 建立Langevin捕获模型与量子散射理论,预测C⁺+H₂反应速率和分支比。 2026.05–2026.10: C⁺ + H₂实验 构建实验平台,进行Be⁺协同冷却和受激拉曼激发H₂,测定低温反应动力学。 2026.11–2027.04: Zeeman取向实验 实现Zeeman极化Be⁺与激光对准H₂,测量不同取向角下的反应速率常数。 2027.05–2027.11: 数据分析与总结 处理实验数据,分析立体动力学结果,撰写论文并评估外场调控效应。

Slide 10 - 研究计划
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Slide 11 - 可行性与风险评估

The slide, titled "Feasibility and Risk Assessment," features a table listing potential risks and corresponding countermeasures. It covers cluster formation (addressed by supersonic molecular beam + ion trap cooling), insufficient polarization purity (via Zeeman polarization + laser alignment optimization), and difficult signal extraction (using background subtraction + nanosecond detection system).

可行性与风险评估

{ "headers": [ "潜在风险", "应对措施" ], "rows": [ [ "团簇形成", "超声速分子束+离子阱冷却" ], [ "极化纯度不足", "Zeeman极化+激光对准优化" ], [ "信号提取困难", "背景扣除+纳秒探测系统" ] ] }

Source: 博士后开题汇报

Speaker Notes
创新点:超声分子束+冷却离子阱一体化、Zeeman极化取向反应;实验可靠性:Be⁺激光冷却、纳秒探测系统;团队经验:南方科技大学离子阱团队,杨天罡导师指导。
Slide 11 - 可行性与风险评估
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Slide 12 - 预期成果

The slide "预期成果" (Expected Outcomes) outlines key project deliverables: upgrading the ion trap cooling and detection system for enhanced precision, measuring precise low-temperature C⁺ + H₂ reaction rate constants and branching ratios, and obtaining stereodynamics results from Zeeman-polarized reactions. It also targets publishing 2–3 high-level SCI journal papers to advance the field.

预期成果

{ "features": [ { "icon": "🛠️", "heading": "装置升级", "description": "完成离子阱冷却与探测系统升级,提升实验精度和稳定性。" }, { "icon": "📊", "heading": "C⁺ + H₂ 数据", "description": "测定低温C⁺ + H₂反应速率常数及分支比精确数据。" }, { "icon": "🔬", "heading": "立体动力学结果", "description": "获得Zeeman极化取向反应的立体动力学实验结果。" }, { "icon": "📚", "heading": "SCI论文产出", "description": "发表2–3篇高水平SCI期刊论文,推动领域发展。" } ] }

Source: 博士后开题汇报:《低温离子阱设计及反应动力学实验研究》

Slide 12 - 预期成果
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Slide 13 - 致谢

This conclusion slide, titled "Acknowledgments," thanks Southern University of Science and Technology, Professor Yang Tianguang, and team support. It concludes with "Thank you for listening! Welcome questions."

致谢

感谢

  • 南方科技大学
  • 杨天罡教授
  • 团队支持

谢谢聆听!欢迎提问。

Source: 实验室合影或离子阱照片

Speaker Notes
背景图建议:实验室合影或离子阱照片。结束语:谢谢聆听!欢迎提问与讨论。
Slide 13 - 致谢

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