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Prototyp einer skalierbaren Ionenfalle für optische Uhren

14.10.2010

Mit optischen Ionenuhren basierend auf einzelnen gespeicherten Ionen werden heute relative Frequenzunsicherheiten von bis zu 9⋅10-18 erzielt [1].  Auf Grund der limitierten binären Information, welche pro Interrogationszyklus erhalten wird, zeigen diese Frequenznormale eine durch Quantenprojektionsrauschen stark begrenzte Kurzzeitstabilität. Dies führt zu langen, im Tages- bis Wochenbereich liegenden Mittelungszeiten. In der QUEST Nachwuchsforschergruppe werden deshalb neuartige, skalierbare Fallenstrukturen untersucht, welche es erlauben, die Anzahl der gespeicherten Ionen und somit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen ohne dabei die Genauigkeit des Frequenznormals zu kompromittieren. Basierend auf hochgenauen Finiten-Elemente-Rechnungen der elektrischen Felder wurden skalierbare Fallenstrukturen mit integrierter Filterelektronik designed. Ein erster Prototyp, bestehend aus vergoldeten und laserstrukturierten Rogers4350B Platinen, wurde in Zusammenarbeit mit der Fa. Contag in Berlin erfolgreich entwickelt (s. Abb.1). Dabei zeigten die mit Gold auf Nickel beschichteten Fallenplatinen keine im Rahmen der Messungenauigkeit von ca. 50 nT messbare Restmagnetisierung. In dieser Falle wurden erstmals Ketten und 3-dimensionale Coulomb-Kristalle von Ytterbium-172 Ionen erzeugt und gespeichert (s. Abb.2). Die Dynamik von kontrollierten Ionenketten soll darin für ein Frequenznormal mit relativer Frequenzunsicherheit von Δν/ν = 10-18­ untersucht werden.

Integrierte Ionenfalle bestehend aus vier Rogers4350B Platinen. Die Ionen werden im 1mm breiten, lasergeschnittenen Spalt in der Mitte der Platinenstruktur gefangen.

(oben) Kette von einzelnen 172Yb+-Ionen. Die elektrostatische Abstoßung der positiv geladenen Ionen führt zu einer Zick-Zack-Anordung des Ionenkristalls entlang der Fallenmitte. (unten) Coulomb-Kristall mit 172Yb+-Ionen. Die dunkle Fehlstelle entspricht einem sich in einem metastabilen Zustand befindenden Ion, welches vom Laserlichtfeld entkoppelt ist.


Literatur:

[1]     Chou et al., Frequency Comparison of Two High-Accuracy Al+ Optical Clocks, Phys. Rev. Lett 104, 070802 (2010)