Precision spectroscopy and optomechanics of single trapped ions in the weak-binding limit [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Maximilian Herrmann

Maximilian Herrmann

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• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 31
• Langue: Deutsch
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Extrait

Precision spectroscopy and
optomechanics of single trapped ions
in the weak-binding limit
Maximilian Herrmann
Munchen 2008Precision spectroscopy and
optomechanics of single trapped ions
in the weak-binding limit
Maximilian Herrmann
Dissertation
an der Fakult at der Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Maximilian Herrmann
aus London
Munc hen, den 13. 11. 2008Erstgutachter: Prof. Dr. Theodor W. H ansch
Zweitgutachter: Prof. Dr. Dietrich Habs
Tag der mundlic hen Prufung: 17. 12. 2008Meinen Eltern und Melanie gewidmetZusammenfassung
Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Experimente mit einzelnen, in Radiofrequenzfallen
gespeicherten Ionen im Regime nicht aufgel oster Seitenb ander.
Zentrales Ergebnis ist eine im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Methode fur h ochst-
aufl osende Laserspektroskopie an einzelnen Ionen im Grenzfall schwacher Bindung. Sie er-
laubt es, mittels sympathischer Kuhlung von Ionenketten und aumlicr h aufgel oster Detek-
tion starke Dipolub erg ange mit bis dato unerreichter Genauigkeit zu vermessen. Neben
einer ausfuhrlic hen theoretischen Untersuchung der Methode wurde zur Demonstration ihrer
Leistungsf ahigkeit eine Absolutfrequenzmessung eines astrophysikalisch relevanten Ubergangs
an einzelnen Magnesium Ionen durchgefuhrt. Dabei konnte die Genauigkeit der Linien-
mitte knapp 400fach gegenub er dem Literaturwert verbessert werden und die Eignung fur
hochpr azise Lebensdauermessungen wurde gezeigt. Es wurde erstmalig eine Au osung von
besser als 1% der Linienbreite in diesem Regime erreicht (0.4%), wie fur anpruchsvolle Anwen-
dungen, etwa in der Kernphysik, vonn oten. Die Resultate sind lediglich durch Linienbreite
und -form des verwendeten Farbsto asers limitiert, und nicht durch die Methode selbst. The-
orie und Experiment zeigen, dass der Methode noch weitaus gr o eres Potential innewohnt und
4dass sie Genauigkeiten auf dem Niveau 10 der Linienbreite und besser erm oglicht. Poten-
zielle Anwendungen hierfur nden sich in einer Reihe von Gebieten, von der Atomphysik uber
die Astrophysik bis hin zur Kernphysik.
Ein zweiter Themenkreis befa t sich mit Ionen als harmonischen Oszillatoren und unter-
sucht die mechanische Wechselwirkung von Licht und Materie. Als Modellsystem dient hier-
bei ein einzelnes, schwach gebundenes Ion, dass mit zwei Laserstrahlen wechselwirkt. Dieses
einfache System zeigt eine ub erraschende Fulle von interessanten Ph anomenen, die sowohl
theoretisch als auch experimentell untersucht wurden. Es konnte gezeigt werden, dass ein
einzelnes Ion unter bestimmten Bedingungen einen regenerativen Oszillator darstellt, also ein
laser ahnliches System mit Schwellwertverhalten und Verst arkungss attigung. Darub erhinaus
konnte Bistabilit at und Hysterese beobachtet werden. Die hierfur entwickelte Theorie er-
laubt ub erdies ein tieferes Verst andnis einer in Ionenfallenexperimenten weitverbreiteten Di-
agnosetechnik, der sogenannten optischen S akularanregung.
Schlie lich wird der Stand eines laufenden, au erst vielversprechenden Projekts pr asentiert:
+Pr azisionspektroskopie des 1S-2S Ubergangs in He . Eine erfolgreiche Messung dieser zwei
Photonen Resonanz verspricht einzigartige Tests der Quantenelektrodynamik gebundener
Zust ande. Allerdings ist das Experiment sehr anspruchsvoll, da alle relevanten Wellenl angen
im extremen Ultraviolett bei 61 nm und darunter liegen. Neben einer detaillierten Mach-
barkeitsstudie werden erste experimentell erreichte Meilensteine vorgestellt.
Die gesamte bei den Experimenten verwendete Apparatur wurde im Rahmen dieser Arbeit
entwickelt und aufgebaut.Abstract
This thesis reports on experiments with single ions stored in radio frequency traps in the limit
of unresolved motional sidebands.
The main result is the idea, theory and experimental demonstration of a new spectroscopy
method for ions in the weak-binding limit. By virtue of sympathetic cooling of a chain of
ions and spatially resolved detection, strong dipole transitions can be measured with unprece-
dented accuracy. To demonstrate the method, the absolute frequency of an astrophysically
relevant transition in single magnesium ions was measured. The accuracy of the line center
presents a nearly 400fold improvement over previous results. This is the rst demonstration
of an accuracy exceeding 1 % of the linewidth in this regime (0.4 %) as required for demand-
ing applications such as in nuclear physics. Furthermore, the suitability of the approach for
precision measurements of the linewidth and thus the lifetime of the excited state could be
demonstrated. The results are only limited by the large linewidth of the dye laser used, not
by the method, and both theory and the experiment indicate that signi cant improvements
4are possible, promising accuracies on the level of 10 of the linewidth and below. As a new
method enabling orders of magnitude greater accuracy in a previously hardly explored regime,
widespread applications are expected, ranging from laboratory astrophysics to nuclear physics
and atomic physics.
A second set of experiments explores the optomechanical interaction of light with weakly
bound ions and studies a single ion interacting with two laser beams. Despite its simplicity
this system shows a surprising wealth of interesting phenomena. Under certain conditions
the ion constitutes a regenerative oscillator, that is, a laser-like system with a threshold and
saturable gain. Moreover, bistability and hysteresis were observed. A theoretical framework
is developed that describes all the observed phenomena remarkably accurate and with no
adjustable parameters. Furthermore, the theoretical study of this \single ion regenerative os-
cillator" elucidates the mechanism of a technique wide-spread in the ion trapping community,
the so-called optical secular scan.
Finally, the status of a very promising ongoing project is summarized: Precision spec-
+troscopy of the 1S-2S transition in trapped He ions. This transition lies deep in the extreme
ultraviolet near 61 nm and is thus experimentally challenging but will allow to uniquely test
the theory of bound state QED. Both a detailed study of the feasibility is presented as well
as important experimental milestones that have been achieved so far.
The entire apparatus used for these experiments was developed and built as part of this
thesis.Contents
Introduction xi
1. Fundamentals of ion trapping 1
1.1. RF Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1. Basic dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Laser cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3. Many ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1. Trapping many ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2. T multiple species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.3. Sympathetic cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2. The apparatus 13
2.1. Ion traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1. Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2. Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3. Field calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.4. The 6-rod Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.5. The endcap trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Tank circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1. Basic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2. Design guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3. Vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1. Preliminaries: design, materials, cleaning and baking . . . . . . . . . . 30
2.3.2. Endcap trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3. 6-rod trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4. Imaging system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.1. Lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2. 6-rod trap imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.3. Endcap trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.4. EMCCD vs SPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5. Laser system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.1. The ber laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.2. The dye laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.3. The SHG stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.4. Double pass acousto-optic modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6. Ion creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.1. Atomic oven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.2. Electron gun . . . . . .