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Spektroskopische Charakterisierung von Ionen-Coulomb-Kristallen für eine optische Multi-Ionen-Uhr

08.01.2015

Am QUEST-Institut an der PTB wurde ein Aufbau zur ortsaufgelösten Seitenbandspektroskopie an Coulomb-Kristallen entwickelt. Die zunächst mit einem einzelnen Ion durchgeführten Tests erlaubten die gleichzeitige Messung von Temperaturen mehrerer Moden im Bereich einiger Millikelvin. Mittels Grundzustandskühlen der radialen Moden konnte gezeigt werden, dass die Heizraten im derzeit verwendeten Fallenprototyp geringer als zwei Schwingungsquanten pro Sekunde sind. 

Spektroskopie an gefangenen Ionen ist die Grundlage für die derzeit genauesten Frequenznormale, da sich Umgebungseinflüsse auf deren atomare Übergänge aufgrund der starken Lokalisierung sehr gut kontrollieren lassen. Um eine Frequenzauflösung in der Größenordnung dieser Genauigkeit schon nach kürzeren Mittelungszeiten erreichen zu können, werden am QUEST-Institut Ionenfallen entwickelt, in denen auch bei mehreren gefangenen Ionen systematische Frequenzunsicherheiten von unter 1x10-18 erreicht werden. Dabei müssen insbesondere Frequenzverschiebungen aufgrund der thermischen Bewegung und der räumlich inhomogenen Mikrobewegung eines mesoskopischen Coulomb-Kristalls charakterisiert und kontrolliert werden.

Zurzeit werden in einem Fallen-Prototyp spektroskopische Methoden zur Charakterisierung der Dynamik von Coulomb-Kristallen vorbereitet. Hierfür wird ein ultrastabiler Laser eingesetzt [1], der den 2S1/2 nach 2D5/2 – Übergang in Yb+ anregt. Die diesem Übergang durch thermische Bewegung der Teilchen im Fallenpotential bzw. deren Mikrobewegung aufgeprägten Seitenbänder können so aufgelöst werden und erlauben die Messung der jeweiligen kinetischen Energien.

Mithilfe einer EMCCD-Kamera wurde ein Messverfahren entwickelt, das eine ortsaufgelöste Bestimmung dieser Größen in ausgedehnten Kristallen ermöglicht (siehe Bild 1). Die Implementierung wurde zunächst an einem einzelnen Ion getestet. Dabei konnten die Temperaturen mehrerer Bewegungsmoden im Bereich von wenigen Millikelvin mit 20% Genauigkeit gleichzeitig gemessen werden. Durch Kühlen der radialen Moden in den quantenmechanischen Grundzustand konnte die Heizrate des Fallenprototyps zu unter 2 Schwingungsquanten pro Sekunde (bei Fallenfrequenzen von 450 und 500 kHz) bestimmt werden (siehe Bild 2). Die Mikrobewegungsmessung kommt ohne Grundzustandskühlen aus und erlaubt die Auflösung der Mikrobewegungsamplituden mit einer Genauigkeit von 200 pm.

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a)EMCCD-Aufnahme eines linearen Coulomb-Kristalls (13 Ionen). b)Die roten Quadrate kennzeichnen die für die ortsaufgelöste Zustandsdetektion bei der Spektroskopie ausgelesenen Ausschnitte. c) Das gelbe Rechteck markiert den während der Spektroskopie ausgelesenen Bereich des Chips.

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Messung der radialen Heizraten im Fallen-Prototyp. Nachdem beide radialen Bewegungsmoden in den quantenmechanischen Grundzustand gekühlt wurden, wird die Temperatur nach einer variablen Wartezeit gemessen. Die so bestimmten Heizraten liegen für beide Moden unterhalb von 2 Bewegungsquanten pro Sekunde. Dieser Wert liegt etwa eine Größenordnung unter den typischen bei Ionenfallen mit ähnlichen Dimensionen gemessenen Werten (siehe z.B. [2], Abb. 5).


Literatur:

[1] J. Keller, S. Ignatovich, S. A. Webster, T. E. Mehlstäubler, Simple vibration-insensitive cavity for laser stabilization at the 10-16 level, Appl. Phys. B 116, 203 (2014)

[2] N. Daniilidis et al., Fabrication and heating rate study of microscopic surface electrode ion traps, NJP 13, 013032 (2011)