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Untersuchung einer Test-Falle für Multi-Ionen Uhren

08.01.2015

In Zusammenarbeit mit dem wissenschaftlichen Gerätebau der PTB wird ein Prozess entwickelt, um hochgenaue, skalierbare Ionenfallen für Multi-Ionen Uhren auf der Basis von goldbeschichteten AlN-Keramik Substraten herzustellen. Erste laserstrukturierte und beschichtete Test-Chips wurden erfolgreich zu einer Fallenstruktur zusammengesetzt und kontaktiert. Diese befindet sich nun im Testbetrieb am tschechischen Metrologieinstitut (CMI) in Prag, wo die Erwärmung der Falle im Rahmen eines EMRP Projektes untersucht wird. 

Am Quest-Institut der PTB wurde erstmals eine Test-Falle für Multi-Ionen Uhren auf der Basis von Aluminiumnitrid-Keramik Substraten aufgebaut und wird nun für die Untersuchung der Erwärmung der Falle im RF-Betrieb eingesetzt.

Optische Uhren mit einzelnen Ionen gehören heute mit zu den genauesten Uhren der Welt. Allerdings ist Ihre Stabilität durch die Abfrage eines einzelnen Ions fundamental begrenzt, sodass sehr lange Mittelungszeiten im Bereich von Tagen bis Wochen nötig sind. Die Mittelungszeiten können dadurch verkürzt werden, dass an Stelle eines einzelnen Ions mehrere Ionen gleichzeitig abgefragt werden. Dies setzt sehr hohe Anforderungen an die verwendete Ionenfalle [1], um unerwünschte Mikrobewegung der Ionen in der Falle möglichst gering halten zu können. Unter anderem sind Fertigungstoleranzen von makroskopischen Strukturen im Bereich von weniger als 10 µm einzuhalten.

In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich 5.5 wird an der PTB ein Prozess entwickelt, mit welchem eine skalierbare, präzise Ionenfalle auf der Basis von Aluminiumnitrid-Keramik Plättchen hergestellt werden kann. Dazu werden 380 µm dicke Keramik-Substrate laserstrukturiert, mit Gold beschichtet und anschließend mit SMD-Bauteilen bestückt. Aus vier verschiedenen Plättchen wird schließlich eine Ionenfalle aufgebaut. Für die Ausrichtung der Substrate zueinander, die ebenfalls mit einer Genauigkeit von weniger als 10 µm erfolgen muss, steht im Reinraumzentrum ein neu angeschafftes Messmikroskop zur Verfügung. An einer ersten Test-Falle wurden nun sämtliche Teilschritte des Herstellungsprozesses erfolgreich erprobt (Bild1).

Im Rahmen eines EMRP Projektes wird am nationalen tschechischen Metrologie Institut (CMI) die Erwärmung dieser Test-Falle im RF-Betrieb experimentell untersucht und mit thermischen Simulationen verglichen. Die genaue Kenntnis der Temperaturumgebung der gespeicherten Ionen, ist essentiell für die Bestimmung der Schwarzkörperverschiebung eines atomaren Frequenznormals. Die thermische Simulation sagt eine Temperaturerhöhung am Ort der Ionen um weniger als 0,4°C voraus. Für eine Al+-Quantenlogikuhr würde diese Erwärmung einer relativen Frequenzverschiebung des Uhrenübergangs von nur 1x10-19 entsprechen.

Fertige Test-Falle aus goldbeschichtetem Aluminiumnitrid. Der komplette Herstellungsprozess findet an der PTB statt. Die Test-Falle wurde für die Untersuchung der thermischen Eigenschaften im Rahmen eines EMRP Projektes an das tschechische Metrologie Institut (CMI) übergeben.

Fertige Test-Falle aus goldbeschichtetem Aluminiumnitrid. Der komplette Herstellungsprozess findet an der PTB statt. Die Test-Falle wurde für die Untersuchung der thermischen Eigenschaften im Rahmen eines EMRP Projektes an das tschechische Metrologie Institut (CMI) übergeben.


Literatur:

 [1] N. Herschbach, K. Pyka, J. Keller, and T.E. Mehlstäubler, Linear Paul trap design for an optical clock with Coulomb crystals, Appl. Phys. B 107, 891-906 (2012)