Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

3.1. Die Grundlagen einer idealen, linearen Paulfalle 17
Frequenz ω, die Bewegung im zeitlich gemittelten Fallen-Potential. Die berlagerte, schnelle
Amplitudenmodulation ist die sogenannte Mikrobewegung mit der Frequenz Ω, eine durch das
Speicherfeld getriebene Schwingung. Ihre Amplitude steigt daher mit der elektrischen Feldstrke,
d.h mit wachsendem Abstand vom Zentrum, an. Die Makrobewegung als freie Bewegung
kann gekhlt werden, die getriebene Mikrobewegung lt sich nur reduzieren, wenn man die Teilchen
ins Zentrum der Falle, d.h. bei der linearen Falle auf der Achse, bringt. Dort verschwindet
die Mikrobewegung aufgrund der verschwindenden elektrischen Feldstrke. Im Rahmen der
adiabatischen Nherung kann man die Bewegung der Ionen im zeitabhngigen Potential vollstndig
durch ein zeitlich gemitteltes Potential beschreiben, das sogenannte Pseudopotential. Eine
ausfhrliche Beschreibung der adiabatischen Nherung und des Pseudopotentialmodells findet
sich unter anderem bei Dehmelt [58].
Man kann die Speicherung durch das Wechselfeld auch anschaulich verstehen. Dazu betrachtet
man ein Teilchen, das sich auerhalb des Fallenzentrums befindet. Das Teilchen erfhrt
whrend einer halben Periode des Speicherfelds eine zum Zentrum gerichtete Kraft, whrend der
anderen halben Periode eine vom Zentrum weg gerichtete Kraft. Diese Krfte heben sich allerdings
nicht exakt auf. Da das Ion unter dem Einflu des Speicherfeldes auch die erzwungene
Mikrobewegung ausfhrt, ist sein Abstand zum Zentrum whrend der ersten halben Periode grer
als whrend der zweiten. Damit ist die Kraft zum Zentrum grer, da die Amplitude des Feldes linear
mit dem Abstand vom Zentrum zunimmt. Demzufolge erfhrt das Ion netto eine zum Zentrum
gerichtete, d.h. speichernde Kraft.
3.1.2 Axiale Speicherung
Da das elektrische Wechselfeld den axialen Freiheitsgrad unbeeinflut lt, braucht man zur axialen
Speicherung ein zustzliches Feld. Bei der linearen Falle wird dazu ein statisches elektrisches
Feld verwendet, das dem Radiofrequenz-Speicherfeld berlagert wird. Es gibt allerdings
fr die Anordnung der Elektroden zur Erzeugung dieses axialen Speicherpotentials eine Reihe
von verschiedenen Mglichkeiten. Die verbreitetsten sind ringfrmige Elektroden, die ber die
Stabelektroden des linearen Quadrupols geschoben werden, Stiftelektroden auf der Fallenachse
oder eine Segmentierung der Stabelektroden des Quadrupols. Darber hinaus gibt es noch speziellere
Designs, die besonders bei miniaturisierten Fallen zum Einsatz kommen. Solche Desings
sind sinvoll um besonders hohe Bewegungsfrequenzen zu erreichen. Auch in Experimenten zur
Cavity-Quantenelektrodynamik, wo man die Wechselwirkung von Licht mit Atomen in Resonatoren
untersucht, braucht man spezielle Geometrien, um die Ionenfalle innerhalb eines kleinen,
optischen Resonators zu realisieren. Eine bersicht ber die verschiedenen Designs findet sich
z.B. bei Seibert [178]. Welche Methode am besten geeignet ist, hngt im Wesentlichen von der
Anwendung ab. Dient die Falle als reiner Speicher z.B. fr die Spektroskopie, so ist die Hauptanforderung
eine lange Speicherzeit in einer gut zugnglichen und strungsfreien Umgebung. Fr
Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung, wo man durch Seitenbandkhlen
Teilchen im Grundzustand prparieren will, sind hohe Frequenzen vorteilhaft, weswegen
kleine Fallen sinnvoll sind. Fr Anwendungen, bei denen die Harmonizitt des Speicherpotentials
eine wichtige Rolle spielt, ist eine Geometrie vorteilhaft, mit der man auch ein harmonisches
Axialpotential erreichen kann [71]. Man mu allerdings bemerken, da man z.B. mit zylindrischen
Fallen aus mehreren Ringelektroden auch Fallen mit guter Harmonizitt realisieren kann, wobei
man eine leicht zu fertigende Struktur hat.
In unserem Fall werden als Elektroden des Quadrupols zylindrische Stbe verwendet, die fr
die axiale Speicherung segmentiert sind. Durch Anlegen einer positiven Gleichspannung zwischen
den End- und den Mittelsegmenten erhlt man eine rcktreibende Kraft in axialer Richtung.
Der Vorteil gegenber bergeschobenen Ringen liegt in der niedrigeren Spannung, die bentigt