Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

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92 Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick Lebensdauer beobachtet, sondern stets eine Reduktion. Bei Super-/Subradianz wrde man aber je nach Teilchenabstand beides erwarten. Es mu wahrscheinlich davon ausgegangen werden, da es sich um einen technisch bedingten Effekt handeln drfte. Diese Annahme wird auch durch eine Untersuchung von MacDonald et al. [68] untersttzt, die Koinzidenzen von zwei und drei Ionen untersucht haben, ohne jedoch kooperative Effekte zu beobachten. Die Daten der Messungen an zehn Ionen flossen nicht in den oben angegebenen Wert fr die Lebensdauer ein. Fr die Zukunft wre es interessant zu berprfen, ob die verkrzte Lebensdauer in Ionenketten wieder beobachtet werden kann. Dann knnte man ausgiebig die Abhngigkeiten von externen Parametern untersuchen. Falls nicht, kann man einen neuen und prziseren Wert fr die Lebensdauer erhalten. Eine Reihe der notwendigen apparativen Verbesserungen wurde in Angriff genommen und steht kurz vor der endgltigen Fertigstellung. Details darber finden sich in den Diplomarbeiten von Rehm [164], Leuthner [125] und Prima Garca [157]. Generell ist eine Lebensdauermessung aus der Beobachtung von Quantensprngen zur Untersuchung kooperativer Effekte gut geeignet. Allerdings sollte man zur Untersuchung der bekannten Theorien ein Ion whlen, bei dem die Wellenlnge des bergangs, auf dem die Quantensprnge stattfinden, in der Grenordnung der Ionenabstnde in der Falle liegt. Das In + -Ion oder auch das Sr + -Ion sind hier als geeignete Kandidaten zu nennen. Entsprechende Experimente sind in anderen Gruppen bereits im Gange [206] bzw. in Planung. Schlielich wurde noch die Separation atomarer Zustnde in einem Ionenkristall demonstriert. Dabei konnten Ionen im metastabilen 3D 5/2 -Zustand, der vollstndig von den Khllasern entkoppelt ist, von den brigen Ionen unter Ausnutzung des Lichtdrucks separiert werden. Aufgrund der sympathetischen Khlung schmilzt der Kristall nicht, obwohl nur ein Teil der Ionen direkt lasergekhlt wird. Man kann das Verfahren auf Situationen bertragen, in denen man verschiedene Ionen oder unterschiedliche Isotope des gleichen Ions zusammen speichert. Solange die zweite Ionensorte von den Khllasern entkoppelt ist, stellt sich diese Separation ein. Man kann sich dann eine spektroskopische Untersuchung an diesem Teil vorstellen. Beim ortsaufgelsten Nachweis ist es leicht mglich nur einen selektierten Bereich des Detektors auszuwerten. Wenn man auch eine selektive Anregung realisieren kann, lt sich am dunklen Teil des Kristalls experimentieren. Man htte damit Zugriff auf Elemente, die z.B. nicht selbst lasergekhlt werden knnen. In Zukunft gibt es noch einige spektroskopische Messungen an Calcium, die mit der zur Verfgung stehenden Apparatur durchgefhrt werden knnen. Fr das Isotop 40 Ca + ist die Untersuchung des Feinstrukturbergangs 3D 3/2 − 3D 5/2 ein mgliches Projekt. Aufgrund der langen Lebensdauer der 3D-Zustnde, ergibt sich eine theoretische Linienbreite dieses bergangs von unter einem Hz. Da die bergangsfrequenz im fernen Infrarot bei 1.8THz liegt, wo es keine leistungsstarken Strahlungsquellen gibt, wre es vorteilhaft ein Raman-Anregungsschema zu verwenden. Dazu knnte man zwei Laser auf den bergngen 3D 3/2 − 4P 3/2 und 3D 5/2 − 4P 3/2 einstrahlen. Von den brigen stabilen Isotopen wre aus spektroskopischer Sicht und 43 Ca + interessant, das einen von Null verschiedenen Kernspin und damit eine Hyperfeinaufspaltung hat. Die brigen stabilen Ca-Isotope haben das gleiche Niveauschema wie 40 Ca + . Die Hufigkeiten im natrlichen Gemisch sind fr alle anderen Isotope allerdings so gering, da ein effizientes Erzeugen nur aus angereicherten Proben (sinnvoll) mglich ist. Eine Messung der Isotopieverschiebung an einer Isotopenkette wre mit einer gegenber frheren Messungen [5] verbesserten Genauigkeit mglich. Vorteile ergeben sich dabei vor allem aus der Tatsache, da man mit wenigen, gekhlten Ionen arbeiten kann. Selbst bei Messungen an puffergasgekhlten Ionen liegen die Linienbreiten ja bei einigen GHz. Bei den Isotopen mit Kernspin wrde man mit gekhlten Teilchen auch die Hyperfeinaufspaltung auflsen. Man knnte die Messung mit der Methode des sympathetischen Khlens durchfhren. Dabei wrde man 40 Ca + direkt laserkhlen und mit einem zustzlichen schwachen Laser ber den untersuchten bergang durchstimmen. Man mu allerdings darauf achten, da der Khllaser kein anderes Isotop heizt. Ein Einflu auf die Linienform sollte auch vermieden
werden. Man kann darber hinaus natrlich den Prozess des sympathetischen Khlens selbst nher untersuchen. Zu untersuchen wre dabei u.a. die erreichbare Endtemperatur der beiden Sorten. Eine Verbesserung einer frheren Messung der Grundzustandsaufspaltung von 43 Ca + [11] durch Verwendung von lasergekhlten Ionen und Anwendung von Ramseys Methode der separate oscillatory fields [161] knnte erzielt werden. Diese Methode knnte darber hinaus auch fr Untersuchungen von Dekohrenzeffekten herangezogen werden. Dazu wrde man den Kontrast der Ramsey-Interferenzen fr verschiedene Pulsabstnde beobachten. Durch Variation der Zeit zwischen den zwei Ramsey-Pulsen ndert man die Zeit der freien Przession. Wird die Kohrenz durch Kopplung an die Umgebung gestrt, dann nimmt der Kontrast der Ramsey-Interferenzen ab. Eine przise Vermessung der Hyperfeinaufspaltung im metastabilen Zustand ist dazu geeignet, das Quadrupolmoment von 43 Ca + zu bestimmen. Aus dem Quadrupolmoment lassen sich Aussagen ber die Kernstruktur machen. Experimentell ist diese Messung allerdings schwieriger als im Grundzustand, wo man ein Laser-Mikrowellen-Doppelresonanzexperiment an ungekhlten Ionen mit einem Laser und einem Mikrowellengenerator machen kann. Da man fr den Mikrowellenbergang im Lamb-Dicke Regime ist, lt sich leicht eine hohe Przision erzielen. Die Aufspaltung im 3D 3/2 -Zustand, der in 4 Hyperfeinniveaus aufspaltet, liegt in der Grenordnung von 100MHz. Wenn man auf dem bergang (4S 1/2 , F = 3)−(4P 1/2 , F = 3) nachweist, so knnte man folgendermaen vorgehen, um die Aufspaltung zu bestimmen: Man strahlt einen Laser auf dem bergang (4S 1/2 , F = 3) − (4P 1/2 , F = 3) ein und koppelt die beiden Hyperfeinniveaus im Grundzustand durch Einstrahlen des Mikrowellenbergangs. Nun mu man durch optisches Pumpen versuchen auf einem Hyperfeinbergang eine Besetzungsinversion herzustellen. Dazu mu man drei Hyperfeinniveaus durch Anregen in eines der 4P-Niveaus leerpumpen. Dazu kann man verschiedene Diodenlaser benutzen oder durch den Einsatz akustooptischer Modulatoren (AOM) Seitenbnder eines Lasers erzeugen. Die bentigten Frequenzen sind mit einem AOM gut zu erreichen, man mu nur sicherstellen, da man fr alle bergnge gengend Leistung zur Verfgung hat. Die Ionen sammeln sich im verbleibenden Hyperfeinniveau an. Aufgrund dessen langer Lebensdauer werden keine Photonen mehr gestreut. Nun braucht man einen weiteren Laser, den man ber den bergang (3D 3/2 , F = 2) − (4P 1/2 , F = 3) durchstimmt. Man erhlt dann wieder Fluoreszenz, wenn man den bergang (3D 3/2 , F = 2) − ((4P 1/2 , F = 3) trifft. Die Hyperfeinstrukturaufspaltung lt sich dabei vermutlich nicht mit der Przision eines Doppelresonanzexperiments bestimmen, aber immer noch mit einer ordentlichen Genauigkeit, insbesondere, wenn man die Frequenz ber einen AOM verstimmt, dessen Frequenz man auf ca. 10 −6 genau bestimmen knnen sollte. Analog kann man auch die Aufspaltung F=3-F=4 bestimmen. Damit dieses Prinzip funktioniert, mu die Linienbreite der bergnge kleiner als die Aufspaltung sein. Das ist nur fr gekhlte Ionen mglich, da sonst die Dopplerbreite zu gro ist. Zur Khlung von 43 Ca + bietet sich sympathetisches Khlen an. Man braucht dann allerdings noch zwei weitere Laser, wenn man z.B. 40 Ca + direkt laserkhlen will. Damit ist das Experiment zumindest technisch bereits sehr komplex. Ein sehr langfristiges Ziel zuknftiger Experimente an Ca + knnte im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung liegen. Lineare Ionenketten bieten bekanntermaen gute Voraussetzungen zur Realisierung von Quantengattern. Es gibt ja bereits einige experimentelle Erfolge in diesem Bereich wie die Verschrnkung von vier Ionen [170] oder die Adressierung einzelner Ionen in der Kette [141]. Aber auch eine Reihe von Problemen wie starke Aufheizeffekte [186] der Ionen im Grundzustand der Falle gilt es noch zu lsen. Es ist auf jeden Fall ein aktueller und interessanter Schwerpunkt der Forschung auf dem Gebiet der Ionenfallen. Allerdings sind die Anforderungen auch technisch entsprechend hoch. Man bentigt als Ausgangspunkt vor allem Ionenketten, die in den Grundzustand des Fallenpotentials gekhlt wurden. Dazu bentigt man unter anderem eine steile Falle und hochstabile Laser. Vor allem letzteres ist mit groem tech- 93
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Untersuchungen an gespeicherten 40
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Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 5 2
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Kapitel 1 Einleitung ”Wenn die Qu
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7 eine Vielzahl von przisen atomphy
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Kapitel 2 Das Element Calcium 2.1 E
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2.1. Eigenschaften 11 Autor τ(4P 1
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Kapitel 3 Die Paulfalle Bei einer V
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3.1. Die Grundlagen einer idealen,
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3.1. Die Grundlagen einer idealen,
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3.2. Reale Falle und nichtlineare R
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3.3. Quantisierung, Dicke Kriterium
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Kapitel 4 Laserkhlung von Atomen Vo
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4.1. Methoden zur Laserkhlung gespe
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4.2. Khlen mit Elektromagnetisch In
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4.2. Khlen mit Elektromagnetisch In
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Kapitel 5 Experimenteller Aufbau In
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5.2. Die lineare Paulfalle 37 monti
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5.3. Die Ionenerzeugung 39 Beschu m
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