Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

6.4. Separation atomarer Zustnde in einem Ionenkristall 65
wren die nichtkristallisierten Ionen dem Hochfrequenzheizen ausgesetzt und wrden die kristallisierten
Ionen aufheizen bis der Kristall schmelzen wrde. Wren die hellen Ionen kristallisiert
und die dunklen nicht, htte man also ein von gasfrmigen oder flssigen Ionen umgebenen Kristall,
mte sich die Form des Kristall ndern. Es sollte sich wiederum ein zigarrenfrmiger Kristall ausbilden,
der allerdings aus weniger Ionen bestnde, d.h. insgesamt kleiner wre. Da der helle Teil
aber genauso aussieht wie zuvor, kann man folgern, da der Kristall nicht geschmolzen ist. Dann
mu der dunkle Teil natrlich genau so aussehen wie vorher. Die Kristallkonfiguration, die sich
im Potential der Falle ergibt, ist ja eine Minimalenergiekonfiguration, die von der Ionendichte
und dem Potential bestimmt wird. Wrde man ein analoges Experiment mit zwei verschienden
Isotopen (oder Ionen) durchfhren, so knnte man beide Teile unabhngig voneinander beleuchten
und dadurch die Argumentation verifizieren. Die dunklen Ionen werden folglich aufgrund der
Kopplung durch die Coulombkraft sympathetisch von den hellen Ionen gekhlt. Sie bleiben also
auch ohne direkte Laserkhlung kalt. Dieser Khlmechanismus funktioniert auch noch, wenn
man das Verhlnis aus direkt zu indirekt gekhlten Ionen sehr niedrig whlt. Durch Variation der
Laserleistung des Pumplasers kann man den Anteil der dunklen Ionen im Kristall einstellen.
Dieser kann in diesem Fall bis auf gut 3/4 erhht werden, ohne da der Kristall schmilzt (Abb.
6.5). Fr lineare Ketten, die sich nur mit weniger Ionen bei den realisierbaren Potentialen herstellen
lassen, kann dieses Verhltnis noch wesentlich dramatischer ausfallen. So hat Hornæker
[105] gezeigt, da in einer Kette aus 14 Ionen nur eines lasergekhlt werden mu, um den Kristall
zu erhalten. Man mu bedenken, da bei groen Kristallen die ueren Ionen der Mikrobewegung
ausgesetzt sind. Um diesen Heizmechanismus zu kompensieren, braucht man eine bestimmte
Khlleistung. Bei kleineren Kristallen, bei denen die Ionen einen geringeren Abstand zur Achse
haben oder komplett auf der Achse sitzen, ist die Situation gnstiger. Eine Beschreibung dieses
Effekts findet sich auch in der Arbeit von Alt [7] und bei Alt et al. [6]. Was ist die Ursache
der beobachteten, rumlichen Trennung? In unserem Fall werden die Khllaser axial eingestrahlt,
der Winkel zur Achse betrgt maximal fnf Grad. Daher wirkt die Khlkraft des Lasers berwiegend
in axialer Richtung. Da mit der Absorption der Photonen whrend des Khlens auch ein
Impulsbertrag auf die Ionen in Laserrichtung verbunden ist, erfahren die am Khlzyklus teilnehmenden
Ionen einen Rcksto, im Gegensatz zu den Ionen im metastabilen Niveau. Dadurch
sammeln sich die lasergekhlten Ionen auf der der Laserrichtung entgegengesetzten Seite an, in
diesem Fall rechts, whrend die anderen vom Laser unbeeinfluten links bleiben. Man erhlt also
eine Separation der Ionen, die sich in unterschiedlichen Quantenzustnden befinden, durch den
Lichtdruck. berraschend ist hierbei noch, da es eine scharfe Grenze zwischen beiden Bereichen
gibt. Es findet eine Diffusion statt: Jedesmal, wenn ein Ion zerfllt, sieht es den Khllaser wieder
und wandert in den hellen Teil des Kristalls. Ein Ion das in den metastabilen Zustand gepumpt
wird, luft in die andere Richtung. Obwohl also stndig Ionen zwischen den beiden Seiten hin
und her laufen, gibt es keine verschwommene Grenze zwischen den Bereichen. Aus dem Experiment
kann man daher schlieen, da die Diffusion zumindest schneller als 20ms abluft, was
die minimale Zeitauflsung der ICCD-Kamera ist. Der hier beobachtete Effekt zeigt also zweierlei:
Zum einen demonstriert er die sympathetische Khlung, zum anderen zeigt er anschaulich
den Lichtdruck. Man kann in einem Ionenkristall fr Ionen, die ein hnliches Niveausystem wie
Ca + mit metastabilem Niveau haben, eine rumliche Trennung nach atomaren Zustnden herstellen.
Es gibt noch einige weitere Experimente zum sympathetischen Khlen, das sich als ntzliche
Methode in der Spektroskopie erweisen kann. Dabei kann man sich zum einen die sympathetische
Khlung verschiedener Isotope des gleichen Elements vorstellen, zum anderen natrlich
auch das Khlen verschiedener Spezies. Der Vorteil dieser Khlmethode besteht darin, da man
somit die Mglichkeit bekommt auch Elemente zu khlen, die entweder ein komplexes Niveausystem
haben, so da man viele Rckpumplaser bentigen wrde, um den Khlzyklus zu schlieen oder
Elemente deren Wellenlngen in Bereichen liegen, die mit den momentan verfgbaren Lasern