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Kalte hochgeladene Ionen für Frequenzmetrologie

Schmöger, Lisa

English Title: Cold highly charged ions for frequency metrology

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PDF, German
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Abstract

Die gleichzeitige Kontrolle über die Freiheitsgrade der Bewegung und Anregung von Quantenobjekten erlaubt Genauigkeiten mit denen die Messung geringster relativistischer Effekte, Tests des Standardmodells und die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells möglich sind. Bei hochgeladenen Ionen (HCIs) sagen theoretische Berechnungen u.a. eine erhöhte Sensitivität verbotener optischer Übergänge bzgl. der Variation fundamentaler Konstanten, insbesondere der Feinstrukturkonstanten, voraus. In der vorliegenden Arbeit wurde eine vielseitige Technik zur Präparation kalter, stark lokalisierter HCIs entwickelt und demonstriert. Dies fügt HCIs dem Repertoire an Quantensystemen für entsprechende Präzisionsexperimente hinzu. In einer Elektronenstrahlionenfalle (EBIT) werden HCIs im MK Temperaturbereich erzeugt und nach Injektion in eine Paulfalle in das mK Temperaturregime abgekühlt. Die Verfahrensweise des Abbremsens, Vorkühlens und anschließenden Multipass-Stoppens ermöglicht die HCI-Implantation in einen vorgespeicherten, kontinuierlich laser-gekühlten Be+-Coulomb-Kristall. In diesem ko-kristallisieren die HCIs und ein Mischkristall formt sich (hier: Ar13+ und Be+), dessen Konfigurationen das Spektrum von großen dreidimensionalen Mischkristallen, über Ionenketten, bis hin zu einem Zwei-Ionen-Kristall abdeckt. Sowohl der Retrapping-, sympathetische Stopp- und Kühlprozess, als auch die erzeugten Mischkristalle werden charakterisiert und mit Simulationen und theoretischen Modellen verglichen. Erstmals realisiert das entwickelte experimentelle Konzept, zusammen mit seiner modularen Implementation, die mikroskopische Lokalisierung von HCIs in einer Paulfalle, dem heutigen Arbeitspferd hochpräziser Frequenzmetrologie einfach-geladener Ionen. Dies erfüllt die notwendigen Voraussetzungen für die Entwicklung neuer optischer Uhren mit verbotenen Übergängen in HCIs als Taktgeber und ebnet damit den Weg für die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells mit nieder-energetischen atomphysikalischen Methoden.

Translation of abstract (English)

Simultaneous control over both excitational and motional degrees of freedom of quantum objects facilitates measurement accuracies at a level that enables the measurement of subtle relativistic effects, tests of the Standard Model and even the search for expected effects of physics beyond it. Theoretical calculations predict enhanced sensitivities of forbidden optical transitions in highly charged ions (HCIs) to possible variations of fundamental constants, such as the fine structure constant. Within this thesis, a versatile preparation technique of cold and strongly localized HCIs has been developed and demonstrated, adding a multitude of laser accessible systems to the quantum toolbox, that have enhanced sensitivity to fundamental physics. HCIs are extracted from an electron beam ion trap (EBIT), where they are produced in the MK temperature range. Subsequently, they are cooled down to the mK regime, needed for high precision laser spectroscopy, in a cryogenic linear Paul trap. Deceleration, precooling and multi-pass stopping approaches enable HCI implantation within a prestored, continously laser-cooled Be+-Coulomb crystal. Here the HCIs are co-crystallized in mixed-species ensembles (specifically Ar13+ highly charged and Be+ coolant ions) - ranging from large 3-dimensional crystals over ion strings down to a single Ar13+ ion cooled by a single Be+ ion. The precooling, retrapping and sympathetic stopping process, as well as various Coulomb crystal configurations are characterized and compared to simulations and theoretical models. The developed experimental concept and its modular implementation enable, for the first time, the localization of HCIs in a microscopic region of a Paul trap, today's standard method for singly-charged ion frequency metrology. This is a necessary prerequisite for the development of novel ultra-precise optical clocks based on quantum logic spectroscopy on forbidden transitions in HCIs and subsequent low-energy searches for physics beyond the Standard Model.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Crespo López-Urrutia, PD Dr. José Ramon
Date of thesis defense: 28 June 2017
Date Deposited: 10 Jul 2017 08:54
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Frequenzmetrologie, Hochgeladene Ionen, Sympathetisches Kühlen
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