Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

Kapitel 6
Detektion und Prparation von Ionen
In diesem Kapitel wird die Prparation und der Nachweis der Ionen besprochen. Auerdem sollen
Vor- und Nachteile von Ionenkristallen oder einzelnen Ionen gegenber Ionenwolken diskutiert
werden. Fr die meisten Messungen dieser Arbeit wurden einzelne Ionen oder Ionenkristalle verwendet.
Dabei ist es wichtig, da man gezielt eine bestimmte Anzahl kristallisierter Ionen herstellen
kann. Um die Ionen nachzuweisen, benutzt man einen empfindlichen optischen Nachweis,
mit dem die Ionen ortsaufgelst detektiert werden. Es knnen von einem einzelnen Ion ber grere
Ionenkristallen, die aus mehreren hundert Ionen bestehen, bis hin zu Ionenwolken alle Konfigurationen
hergestellt werden. Fr die Messungen wurde jedoch entweder mit linearen Ketten aus
10 Ionen oder mit einem einzelnen Ion gearbeitet.
6.1 Einzelne Ionen
Schon seit langem war es ein Traum von Physikern, Messungen an einzelnen Teilchen in Ruhe
vorzunehmen. 1978 wurde zum ersten Mal ein einzelnes Ion in einer Paulfalle optisch nachgewiesen
[145]. Dies war ein wichtiger Durchbruch, durch den neue Mglichkeiten, Przisionsmessungen
an einzelnen Teilchen durchzufhren, erffnet wurden. Das hat der Physik in Paul- und
Penningfallen einen weiteren Schub verliehen. Seitdem wurde eine Vielzahl von bemerkenswerten
Experimenten an einzelnen Ionen durchgefhrt, in denen u.a. interessante Quanteneffekte
wie das Youngsche Doppelspaltexperiment mit einzelnen Ionen von Eichmann et al. [78] oder
Quantensprnge einzelner Teilchen [88, 24] beobachtet und ausgezeichnete Przisionsmessungen
gemacht wurden. Das (g-2)-Experiment von Hans Dehmelt an einem einzelnen Elektron [76],
das ber Monate in einer Penningfalle gespeichert wurde, ist sicherlich das bekannteste. Die dort
erreichte Genauigkeit von ca. 10 −12 [76] fr den g-Faktor des freien Elektrons zeigt eindrucksvoll
die Mglichkeiten, die Messungen an einzelnen Teilchen in Ionenfallen bieten. Dehmelt erhielt
dafr 1989 den Nobelpreis zusammen mit Wolfgang Paul und Norman Ramsey, wodurch die
Bedeutung der Ionenfallen und ihrer Pioniere eine besondere Wrdigung erhielten. Ein weiteres
Beispiel fr die in Fallen erreichbare Przision sind Frequenzstandards im optischen Spektralbereich
mit einzelnen lasergekhlten Ionen. Am National Institute for Standards and Technology
(NIST) in Boulder [26] und am National Research Council (NRC) in Ottawa [28] werden unter
anderem solche Standards betrieben. Im Fall des 199 Hg + Ions wird sowohl der im Mikrowellenbereich
bei 40,5GHz liegende bergang zwischen den Grundzustandshyperfeinniveaus verwendet,
fr den inzwischen eine Genauigkeit fr die bergangsfrequenz von σ(τ) = 4 × 10 −14 τ −1/2
erreicht wurde [26], als auch der elektrische Quadrupolbergang bei 282nm, fr den die Stabilitt
bei (3 × 10 −13 ) [159] liegt. Im zweiten Fall wird ein einzelnes 88 Sr + Ion benutzt und die
erreichte Genauigkeit betrgt 10 −12 [28]. Dabei ist die Genauigkeit - angegeben durch die Allan-
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