Development and characterization of a linear ion trap for an improved optical clock performance
- verfasst von
- Tobias Burgermeister
- betreut von
- Tanja Mehlstäubler
- Abstract
In mehreren Experimenten haben Frequenzstandards auf der Basis von einzelnen Ionen hervorragende Ergebnisse erzielt und nähern sich einer relativen Frequenzunsicherheit von 10^-18 an. Eine weitere Reduzierung der Frequenzunsicherheit wäre durch eine verbesserte Ionenfalle möglich, da dominante Beiträge der Frequenzunsicherheit auf die Eigenschaften der Ionenfalle zurückzuführen sind. Aufgrund der Abfrage eines einzelnen Ions sind diese Frequenznormale zur Zeit durch das intrinsisch niedrige Signal-Rausch-Verhältnis limitiert und benötigen lange Mittelungszeiten in der Größenordnung von mehreren Tagen. Diese Limitierung ist für verschiedene Anwendungen, die eine hohe Frequenzauflösung nach kurzen Mittelungszeiten erfordern, ein kritischer Punkt. Die Frequenzstabilität kann durch eine höhere Anzahl von Uhrenionen verbessert werden. Allerdings werden durch diesen Ansatz auch die Anforderungen an die Ionenfalle weiter erhöht. Aus diesem Grund ist für die Realisierung einer Multi-Ionen Uhr, die gleichzeitig die Frequenzstabilität und -unsicherheit weiter verringern soll, die Kontrolle über die Eigenschaften der Ionenfalle von entscheidender Bedeutung. Diese Dissertation setzt frühere Arbeiten zur Realisierung einer optischen Multi-Ionen-Uhr auf der Basis von Coulomb-Kristallen aus 115In+-Ionen, die durch 172Yb+-Ionen sympathisch gekühlt werden, fort. Das existierende Design einer segmentierten linearen Ionenfalle wurde optimiert und es wurde ein zuverlässiger Herstellungsprozess basierend auf goldbeschichteten Aluminiumnitrid-Wafern entwickelt. Durch Fertigungstoleranzen von weniger als 10 μm konnte die axiale Mikrobewegungsamplitude deutlich reduziert werden. Es wird gezeigt, dass in einem Bereich von über 300 μm der Beitrag der dreidimensionalen Mikrobewegung zur Frequenzunsicherheit unterhalb von 10^-19 ist. Zusätzlich wurde die radiale Heizrate der Falle mit 1,1 Phononen/s bei einer Fallenfrequenz von 490 kHz bestimmt. Die Frequenzverschiebung durch Zeitdilatation durch die Heizrate der radialen Fallenachse beträgt damit (2,1 ± 0,3) x 10^-20 1/s. Das Fallendesign wurde ebenso auf einen geringen Anstieg der Fallentemperatur durch die angelegte HF-Spannung optimiert. Die Messungen der Fallentemperatur mit den auf der Falle installierten Pt100 Sensoren zeigten einen maximalen Temperaturanstieg von 1,21 K bei einer HF-Spannungsamplitude von 1 kV. Durch den Vergleich der Messergebnisse mit FEM-Simulationen wurde der Beitrag der Fallentemperatur zur Frequenzverschiebung durch die Schwarzkörperstrahlung mit 2,4 x 10^-20 bestimmt. Da die Ionenfalle eine sehr gute Kontrolle über Coulomb-Kristalle bietet, eignet sie sich auch hervorragend für Experimente mit atomaren Vielteilchensystemen. Hierzu werden in dieser Arbeit Untersuchungen topologischer Defekte in zweidimensionalen Coulomb-Kristallen vorgestellt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Analyse des Einflusses von Massendefekten und externen elektrischen Feldern auf die Stabilität der topologischen Defekte. Es wird gezeigt wie dieser Einfluss genutzt werden kann, um die Defekte gezielt zu manipulieren und sie deterministisch zu produzieren.
- Organisationseinheit(en)
-
QUEST Leibniz Forschungsschule
- Typ
- Dissertation
- Anzahl der Seiten
- 144
- Publikationsdatum
- 2019
- Publikationsstatus
- Veröffentlicht
- Elektronische Version(en)
-
https://doi.org/10.15488/5160 (Zugang:
Offen)
