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Einzelne Ionen ganz kalt

21.10.2010

Am QUEST Institut für Experimentelle Quantenmetrologie der PTB und Leibniz Universität Hannover werden in zwei Projekten neue Methoden für die Spektroskopie entwickelt. Dazu werden sogenannte Logik-Ionen zusammen mit Spektroskopie-Ionen in einer Paul-Falle eingefangen. Das Logik-Ion dient hierbei zum Kühlen und Auslesen des schwerer kontrollierbaren Spektroskopie-Ions. Mit dieser sogenannten „Quantenlogikspektroskopie“ wird derzeit eine optische Uhr basierend auf einem einzelnen Aluminium-Ion aufgebaut. Mit dieser portablen Uhr sollen in Zukunft Frequenzvergleiche mit anderen optischen Uhren an verschiedenen Orten durchgeführt, sowie das Gravitationspotential der Erde vermessen werden.

Im zweiten Projekt sollen Atome und Moleküle mit komplexer Niveaustruktur spektroskopiert werden. Auch hier kommt die Quantenlogikspektroskopie mit Magnesium als Logik-Ion zum Einsatz. Voraussetzung für die Anwendung dieser Methode ist das Erreichen des absoluten Grundzustands für die Bewegung der Ionen in der Falle. Dazu sind üblicherweise komplizierte Lasersysteme mit mehreren Quellen notwendig, die große optische Tische füllen. Wir haben ein neuartiges und vergleichsweise kompaktes Lasersystem entwickelt und aufgebaut, das mit einer einzigen Quelle auskommt. Hierfür wird Licht aus einem Faserlaser mit Hilfe von nichtlinearen Kristallen frequenzvervierfacht um Licht bei 280 nm für die Magnesium-Ionen zu erzeugen (siehe Bild). Ein elektro-optischer Modulator erzeugt ein Seitenband auf dem Licht, das resonant mit einem Übergang im Magnesium-Ion ist und zur Zustandspräparation und Laserkühlen der Ionen verwendet wird. Schaltet man den Modulator ab, hat man weit verstimmte Strahlen zur kohärenten Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade des Ions mittels Raman-Übergängen zur Verfügung. Mit diesem Aufbau ist es uns gelungen ein einzelnes Magnesium-Ion in den Grundzustand einer Schwingungsmode in der Ionenfalle zu kühlen [1]. Das Ion ist dabei in einem rein quantenmechanischen Zustand, welcher kein klassisches Analogon mehr hat und gleichzeitig den Austausch von Information zwischen dem Logik- und einem Spektroskopie-Ion ermöglichen wird. Dieses Experiment bereitet den Weg zur Quantenlogikspektroskopie von Ionen mit komplexer Niveaustruktur. Im nächsten Schritt soll das Kühlschema für einen Ionenkristall aus einem einzelnen Magnesium-Ion und mehreren Calcium Spektroskopie-Ionen erprobt werden, bevor die Quantenlogikspektroskopie mit Hilfe eines Frequenzkamms als Spektroskopie-Laser angegangen wird.

 

B. Hemmerling bei der Justage des Magnesium Lasersystems


Literatur:

[1]     B. Hemmerling, F. Gebert, Y. Wan, D. Nigg, I.V. Sherstov, P.O. Schmidt, A Single Laser System for Ground State Cooling of 25Mg+, arXiv:1010.5664v1 [quant-ph], submitted for publication