14.01.2013
Mikrobewegung in Ionenfallen führt zu Doppler- und Stark-Verschiebungen deratomaren Resonanzen in optischen Ionenuhren und stellt eine der größten Herausforderungen für den genauen Betrieb von komplexeren Systemen wie Quantenlogikuhren dar. In einem Prototyp einer neuen Ionenfalle mit optimiertem Elektrodendesign [1] wurde zum ersten Mal eine stark reduzierte Mikrobewegung über einen weiten Bereich von 130 µm gemessen, die einen Uhrenbetrieb mit einer relativen Frequenzgenauigkeit von 10-18 erlaubt. Hierduch können lange Ketten von Ionen gespeichert und gekühlt werden, ohne dass störende Felder die Stabilität des Kristalls beeinträchtigen, (s. Abbildung 3). Abbildung 2 zeigt die entlang der Fallenachse mittels Korrelationsspektroskopie gemessenen residuellen RF-Felder.
Die Ionen werden geladen und in ein vom Atomstrahl geschütztes Spektroskopiesegment befördert, in welchem über Wochen stabile Fallenparameter realisiert werden konnten. Um eine genaue Kenntnis der Fallenfelder und der Stabilität zu erhalten, werden Eigenschwingungen der Ionen im harmonischen, triaxialem Potential der Falle angeregt und mit einer relativen Auflösung von 10-3 vermessen. Abbildung 1 zeigt hier radiale Eigenschwingungen des Ionenkristalls nahe der Anregungsresonanzen. Die unterschiedlichen Schwingungsamplituden der Ionen entsprechen den Eigenvektoren der jeweiligen Mode.
Eigenmoden eines 3-Ionen-Kristalls in einer linearen Paul-Falle. Mit Hilfe parametrischen Heizens werden axiale und radiale Eigenschwingungen der Ionen angeregt und deren Frequenzen vermessen, um die Fallenparameter zu charakterisieren. (a) common mode (b) stretched mode (c) egyptian mode.
Vermessene axiale Mikrobewegung in der linearen Prototypenfalle. Innerhalb einer Region von 130 µm liegen die gemessenen RF-Felder unterhalb der Schwelle für eine Uhr mit einer relativen Frequenzgenauigkeit von 10-18.
Linearer Kette von gespeicherten und lasergekühlten 172Yb+ Ionen. Die geringe axiale Mikrobewegung erlaubt es, lange Ketten von Ionen zu speichern und zu spektroskopieren, ohne durch ein Aufheizen des Kristalls limitiert zu sein.
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 (2012), DOI 10.1007/s00340-011-4790-y