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