Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Coulomb-Kühlen von Zwei-Ionen-Kristallen für die Hochpräzisionspektroskopie

13.01.2013

Coulomb-Kühlen ist ein unverzichtbares Werkzeug für Hochpräzisionsmessungen an gefangenen Ionen. Es ermöglicht die Spektroskopie an Ionen, die keine oder nur schwer erreichbare Übergänge zum Laserkühlen besitzen, sowie an molekularen Ionen, die auf Grund der reichen Niveaustruktur nicht mit klassischen Methoden lasergekühlt werden können. Typischerweise wird hierzu ein leicht zu laserkühlendes Kühl-Ion mit dem zu untersuchenden Spektroskopie-Ion in einer linearen Paul-Falle gefangen. Durch die Coulomb Wechselwirkung zwischen den Ionen wird die Bewegung und damit die Temperatur der beiden Ionen stark gekoppelt, so dass sich das Laserkühlen des Kühl-Ions auch auf das Spektroskopie-Ion auswirkt.

Forscher vom QUEST Institut für Experimentelle Quantenmetrologie der PTB und der Leibniz Universität Hannover berechneten die tiefsten Temperaturen, die mit Coulomb-Kühlen von Zwei-Ionen-Kristallen erreicht werden können, wenn externe Störfelder den Kristall kontinuierlich aufheizen. Eine entscheidende Größe für diese Kühlgrenzen ist das Massenverhältnis der beteiligten Ionen. Bei ungleichen Massen entstehen Schwingungsmoden im Kristall, bei denen das Spektroskopie-Ion eine größere Bewegung (einen größeren Anteil an der Modenenergie) annimmt, als das Kühl-Ion. Diese Moden werden nur langsam gekühlt, sodass die externen Heizraten schlechter kompensiert werden können. Der Effekt wird stärker, je ungleicher die Massen der Ionen sind.

Insbesondere für eine optische Uhr basierend auf einem (nicht mit üblichen Lasern kühlbaren) 27Al+-Ion wurde untersucht, welche Ionen sich als Kühlpartner eignen. Ein sehr niedriges Kühllimit ist hier erforderlich, um die Bewegung des Uhrenions und damit eine Dopplerverschiebung der Uhrenfrequenz weitgehend zu unterdrücken. Von den fünf untersuchten Kühlspezies (Be+, Mg+, Ca+, Sr+, Yb+) eignen sich demnach drei (Be+, Mg+, Ca+), um bei üblichen Heizraten eine Uhr mit Dopplerverschiebungen <10-17 zu realisieren (siehe Abbildung 1). (J. B. Wübbena, QUEST, jannes.wuebbena@ptb.de)

Abbildung 1: Erwartete Dopplerverschiebung von verschiedenen Al+/X+-Ionenkristallen am Dopplerkühllimit unter Einfluss von externen Heizraten. Die Heizrate ist als spektrale Energiedichte normiert auf SE0 = 1.26 x 10-9 V2/m2Hz aufgetragen. Eine spektrale Energiedichte von 0.02 SE0 entspricht dabei einer Heizrate von 1500 Quanten pro Sekunde für einzelne Ca-Ionen bei Fallenfrequenzen von 2.5 MHz und kann als obere Grenze für übliche Paul-Fallen angesehen werden.


Literatur:

[1]       J. B. Wübbena, S. Amairi, O. Mandel, P. O. Schmidt, Sympathetic Cooling of Mixed Species Two-Ion Crystals for Precision Spectroscopy, Phys. Rev. A 85, 043412 (2012)