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Neue Ionenfalle zur hochpräzisen Spektroskopie an Coulomb-Kristallen fertiggestellt und experimentell charakterisiert

16.02.2017

Am QUEST-Institut wird eine optische Uhr basierend auf Ensembles von gefangenen Ionen entwickelt, um eine verbesserte Kurzzeitstabilität gegenüber optischen Einzelionenuhren zu erreichen. Um gleichzeitig eine relative Frequenzunsicherheit von weniger als 10-18 zu ermöglichen, kommt der Ionenfalle eine hohe Bedeutung zu: von ihr ausgehende unerwünschte elektrische Felder und Schwarzkörperstrahlung sind derzeit die Ursache für die größten Beiträge zur Unsicherheit von Ionenuhren.

Eine für diese Ansprüche gemeinsam mit Fachbereich 5.5 entwickelte und gefertigte skalierbare lineare Paul-Falle wurde in diesem Jahr in Betrieb genommen und charakterisiert. Die Falle besteht als vier Aluminiumnitrid-Plättchen, deren Elektrodenstrukturen mittels Finite-Elemente-Rechnungen optimiert und in einem mit FB 5.5 entwickelten Verfahren mit einem gepulsten Laser mikrometergenau gefertigt wurden. Die elektronischen Leiterbahnen bestehen aus einer gesputterten Goldschicht von 4 µm. Die Elektrodenplättchen wurden unter einem Messmikroskop (Nikon MM-400) mit Unsicherheiten von ca. 3 µm ausgerichtet und fixiert. Das Mikroskop wurde zu diesem Zweck von QUEST beschafft und steht nun auch anderen Abteilungen der PTB im Reinraumzentrum zur Verfügung. Anschließend wurde der gesamte Fallenaufbau bei FB 5.3 per Computertomographie vermessen.

 

Zur Unterdrückung von Frequenzunsicherheiten aufgrund der thermischen Umgebung der Ionenfalle kann die Temperatur mittels zweier auf 30 mK kalibrierten Pt100-Sensoren während des Betriebs gemessen werden.

 

Die Falle, die für den Betrieb einer Uhr mit 115In+/172Yb+ Coulomb-Kristallen eingesetzt werden soll, wurde mithilfe von 172Yb+-Ionen charakterisiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass Mikrobewegung aufgrund von axialen Wechselfeldern entlang der gesamten Fallenachse eine Frequenzverschiebung von weniger als 10-18 verursacht. Die gemessenen Heizraten betragen weniger als 2 Phononen pro Sekunde, was einer Zunahme der bewegungsinduzierten Frequenzverschiebung unterhalb von 2 x 10-20 s-1 entspricht. Die Fallenerwärmung bei einer angelegten Wechselspannungsamplitude von 1 kV beträgt nur 1,2 K, was eine relative Frequenzverschiebung durch Schwarzkörperstrahlung am Ort der Ionen von weniger als 10-19 zur Folge hat. Die Falle ermöglicht es damit, fallenbedingte Beiträge zur relativen Frequenzunsicherheit einer optischen Ionenuhr auf unter 10-19 zu senken.

 

In Zusammenarbeit mit FB 5.5. entwickelte segmentierte Paul-Falle für eine Multi-Ionen-Uhr. Seit der Inbetriebnahme im Frühling 2016 konnte gezeigt werden, dass alle Fallenbeiträge zur relativen Frequenzunsicherheit bei der Spektroskopie an Ionen-Coulomb-Kristallen weniger als 10-19 betragen werden.

 

In der Falle gespeicherter Coulomb-Kristall, bestehend aus über hundert Ytterbiumionen.