Optischer Messplatz für Yb Ionen
Final Report Abstract
Der „optische Messplatz für Ytterbium-Ionen“ stellt einen wichtigen Teil für das Fangen, Detektieren und Messen einzelner Yb-Ionen in einer Paul-Falle dar. Aus einer Atomquelle wird neutrales Ytterbium verdampft, welches über einen zweistufigen Anregungsprozess ionisiert wird. Die erste Stufe wird durch einen Diodenlaser bei 399 nm erreicht und die zweite Stufe durch den 369nm Laser dieses Großgeräteantrags. Die Ytterbium-Ionen werden dann in einer Paul-Falle mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes gefangen. Um die Ionen stabil in der Falle zu halten und detektieren zu können werden neben den elektrischen Feldern noch die Laser aus diesem Großgeräteantrag benötigt. Der bereits erwähnte 369nm Laser hat in diesem Kreislauf eine weitere Bedeutung. Er regt die Yb-Ionen vom Grundzustand (2S1/2) in den angeregten Zustand (2P1/2) an. Jedoch ist der Laser im Vergleich zur atomaren Resonanz rot verstimmt und sorgt so unter Ausnutzung des Dopplereffekts für die Kühlung der Ionen. Der angeregte Zustand ist kurzlebig und zerfällt nach einer sehr kurzen Zeit (8ns) wieder in den Grundzustand und gibt dabei ein ungerichtetes Photon ab. Durch die kurze Lebensdauer dieses Zustandes findet der Prozess sehr oft in sehr kurzer Zeit statt, was das Kühlen erst effektiv macht. Zudem kann ein Teil des abgegebenen Lichts durch ein Objektiv auf den Chip der EMCCD-Kamera abgebildet werden und so kann mit Hilfe der Software der Kamera das Ion sichtbar gemacht werden. Der Anregungskreislauf des Yb-Ions ist allerdings nicht perfekt, denn das Ion kann auch in einen metastabilen Zwischenzustand (2D3/2) zerfallen und befindet sich dann in einem dunklen Zustand, da es vom 369nm Laser nicht angeregt werden kann. Um dieses Ion wieder in den Kreislauf zurückzuführen wird ein weiterer Laser, der zweite hier finanzierte, bei 935 nm verwendet. Er sorgt dafür, dass die dunklen Ionen über einen Zwischenschritt zurück in den Grundzustand fallen und dort wieder vom Kühllaser angeregt werden können. Zusätzlich zu den gekauften Laserkomponenten wurden Laserlichtquellen im Eigenbau hergestellt. Der „optische Messplatz für Ytterbium-Ionen“ wurde in den vergangenen Jahren für drei verschiedene Typen von Paul-Fallen verwendet: Zunächst wurden Yb-Ionen in einer linearen Paul-Falle gefangen. Diese Falle ist Teil eines ersten hybriden Experiments zum Fangen von neutral Atomen, hier Lithium, und Ionen. Im Mainz wurden erste Messungen mit Yb-Ionen gemacht. Dieses Experiment wurde im März 2016 nach Amsterdam transportiert, wo es seitdem weitergeführt wird. Im Anschluss wurde eine Ring-Falle aufgebaut, in der ebenfalls Yb-Ionen gefangen wurden. Dieses Experiment diente zum einen zum Einarbeiten neuer Doktoranden und zum anderen um die Falle auf Funktionsfähigkeit zu überprüfen, sie wurde im Anschluss nach Argentinien transportiert, wo sie eine der ersten Ionenfallen sein wird. Im aktuellen Experiment werden die Yb-Ionen in einer planaren Paul-Falle gefangen, auch diese ist ein Teil eines hybriden Experiments zum Fangen von neutralem Rubidium und Yb-Ionen. Aktuell ist es in diesem Experiment möglich die Ionen kontrolliert zu fangen, für einige Minuten festzuhalten und entlang der Fallenachse zu verschieben.
Publications
- “Controlled long-range interactions between Rydberg atoms and ions”, Phys. Rev. A 94, 013420 (2016)
T. Secker, R. Gerritsma, A. W. Glaetzle, and A. Negretti
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.94.013420) - Dynamics of a single ion spin impurity in a spin-polarized atomic bath
Henning Fürst, Thomas Feldker, Norman Vincenz Ewald, Jannis Joger, Michał Tomza and Rene Gerritsma
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.012713) - „Observation of collisions between cold Li atoms and Yb+ ions“, Phys. Rev. A 96, 030703(R) (2017)
J. Joger, H. Fürst, N. Ewald, T. Feldker, M. Tomza and R. Gerritsma
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.96.030703) - „Spectroscopy of the S1/2→P3/2 transition in Yb II: Isotope shifts, hyperfine splitting and branching ratios“, Phys. Rev. A 97, 032511 (2018)
T. Feldker, H. Fürst, N. V. Ewald, J. Joger and Rene Gerritsma
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.97.032511)
