Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

4.1. Methoden zur Laserkhlung gespeicherter Atome 29
Falle in den quantenmechanischen Grundzustand khlen kann. Damit das gut funktioniert, mssen
folgende Bedingungen erfllt sein:
1. Die Abstnde der Schwingungsniveaus sollten quidistant sein, d.h. man braucht ein harmonisches
Potential.
2. Man mu im Lamb-Dicke-Regime sein, damit sich bei der spontanen Emission die Schwingungs-
Quantenzahl nicht ndert.
3. Man braucht strong confinement.
Nur dann kann man selektiv ein Seitenband anregen, whrend die brigen bergnge nur vernachlssigbar
angeregt werden. Allerdings ist damit auch die Intensitt des Khllasers beschrnkt, denn
bei hherer Intensitt ist eine ungewollte Anregung benachbarter bergnge wahrscheinlicher. Der
Lamb-Dicke Parameter η = √ ω rec
gibt das Verhltnis aus Rckstofrequenz zu Fallenfrequenz
ν
an. Ist er klein gegen Eins, befindet man sich fr den entsprechenden bergang im Lamb-Dicke
Regime. Die Rckstofrequenz ist der Rckstoimpuls bei der spontanen Emission in Frequenzeinheiten
angegeben. Dieser Wert mu kleiner sein als die Fallenfrequenz, damit sich bei der spontanen
Emission die Schwingungsquantenzahlen nicht ndern. Daher ist eine steife Falle vorteilhaft.
In der Paulfalle kann auerdem noch die Mikrobewegung, wenn sie nicht kompensiert werden
kann, zu weiteren Seitenbndern im Abstand nΩ fhren, so da sich eine Vielzahl von Linien bei
ω 0 ± nν ± mΩ ergibt. Ein Nachteil beim Seitenbandkhlen ist die geringe bergangsrate, da man
bei diesem Verfahren nur schmalbandige optische bergnge verwenden kann, weshalb die Khlzeiten
entsprechend lang werden. Man bentigt eine Vorkhlung z.B. durch Dopplerkhlen, um
gute Startbedingungen - d.h. niedrige Quantenzahlen - zu schaffen. Je nach Steifigkeit der Falle
hat man nach dem Dopplerkhlen Quantenzahlen zwischen 10 (7,5MHz) und 750(10kHz). Beim
Seitbandkhlen von Ionenketten mu man beachten, da nur eine Schwingungsmode, typischerweise
die Schwerpunktsbewegung, gekhlt wird. Alle hheren Moden der Vibrationsbewegung,
deren Frequenz ja von der der Schwerpunktsbewegung abweicht, werden nicht gekhlt. Man
kann die Khlrate beim Seitenbandkhlen dadurch erhhen, da man den verwendeten bergang anfangs
knstlich durch Ankoppeln an ein kurzlebiges Niveau verbreitert [67, 138]. Variiert man
diese Kopplung kann man die effektive Linienbreite des Khlbergangs einstellen.
Bei der konkreten Realisierung des Seitenbandkhlens hat man je nach Niveausystem der
Ionen verschiedene Mglichkeiten. Whrend im Falle von 40 Ca + Seitenbandkhlen auf dem elektrischen
Quadrupolbergang 4S 1/2 − 3D 5/2 mglich ist [168], mu man bei anderen Ionen wie
z.B. Be + auf die Methode des Raman-Seitenbandkhlens ausweichen. Monroe et al. [137] setzten
Raman-Seitenbandkhlen ein, um damit ein einzelnes Be + -Ion in den quantenmechanischen
Grundzustand zu khlen. Die bisher grte Ionenzahl, die in den Grundzustand gekhlt und verschrnkt
werden konnte ist 4 Ionen [170]. Auch fr Ca + wurde durch Seitenbandkhlung auf dem
4S 1/2 − 3D 5/2 -bergang fr ein einzelnes Ion in einer miniaturisierten Paulfalle der Fallengrundzustand
erreicht. 1989 wurde erstmals von Diedrich et al. [67] mittels Seitenbandkhlung ein
Hg + -Ion im Grundzustand der Falle prpariert.
Da das Erreichen des quantenmechanischen Grundzustands eine notwendige Voraussetzung
fr die Realisierung von Quantengattern in Ionenfallen ist, wurde die Seitenbandkhlung in letzter
Zeit verstrkt untersucht. Dabei geht es vor allem um die Khlzeiten, die Problematik strender
Heizeffekte und die Besonderheiten beim Khlen von Ionenketten, die ja mehrere Bewegungsmoden
auer der Schwerpunktsbewegung haben. Seitenbandkhlen wird nicht nur in Ionenfallen
erfolgreich angewendet, sondern auch in Dipolfallen [100] oder optischen Gittern [99]. Es kann
prinzipiell auf alle Teilchen angewendet werden, die in einem harmonischen Potential gespeichert
werden, wenn man die oben erwhnten Bedingungen erfllen kann.