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High-Precision Laser Spectroscopy of the Fine Structure in 40Ar13+ at ALPHATRAP

Egl, Alexander

German Title: Hochpräzise Laserspektroskopie der Feinstruktur von hochgeladenem 40Ar13+ an ALPHATRAP

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Abstract

The cryogenic double Penning-trap experiment ALPHATRAP aims to test bound-state quantum electrodynamics (BS-QED) under extreme conditions by measuring the magnetic moment (g-factor) of electrons bound to the nucleus of heavy highly charged ions (HCIs). The bound electron g-factor is measured employing the double-trap technique which uses the continuous Stern-Gerlach effect (CSGE) for a nondestructive detection of the spin state of the ion. The result of this thesis is twofold. In order to improve the achievable precision of future measurements the implementation of sympathetic laser cooling is envisaged. For this purpose a laser system was integrated into the existing setup and laser cooling of 9Be+ was demonstrated for the first time at ALPHATRAP. For the axial temperature of a single beryllium ion an upper limit of 69(30) mK can be given. This demonstration paves the way for further developments towards sympathetic laser cooling of HCIs. Furthermore, the optical access to the Penning trap was used for high-precision laser spectroscopy of the magnetic dipole fine structure transition in the ground state of boronlike argon 40Ar13+ with an unsurpassed relative uncertainty of the absolute frequency of 9.4×10e−9. To this end, a novel spectroscopy scheme was demonstrated for the first time, which uses the CSGE and does not require a detection of fluorescence. This proof-of-principle method can be extended to other systems, opening up new possibilities to test BS-QED in the strongest electromagnetic fields by investigating the optical hyperfine structure in heavy HCI by means of laser spectroscopy.

Translation of abstract (German)

Ziel des kryogenen Penningfallenexperimentes ALPHATRAP ist der Test der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände (BS-QED) durch Messungen des magnetischen Moments (g-Faktor) von Elektronen in schweren hochgeladenen Ionen (HCI). Der g-Faktor im gebundenen Zustand wird mit der Doppelfallenmethode bestimmt, die auf dem kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekt (CSGE) für eine nicht destruktive Detektion des Spinzustandes des Ions basiert. In dieser Arbeit werden zwei Ergebnisse präsentiert. Um die Genauigkeit zukünftiger Messungen zu erhöhen, ist die Implementierung von sympathetischem Laserkühlen geplant. Hierzu wurde ein Lasersystem in den bestehenden experimentellen Aufbau integriert und die Laserkühlung von 9Be+ erstmalig in ALPHATRAP demonstriert. Für die axiale Temperatur eines einzelnen Berylliumions kann ein oberer Grenzwert von 69(30) mK gegeben werden. Dies bereitet den Weg für zukünftige Entwicklungen in Richtung von sympathetischem Laserkühlen an hochgeladenen Ionen. Darüber hinaus wurde der optische Zugang zur Falle für hochpräzise Laserspektroskopie an 40Ar13+ genutzt. Die Absolutfrequenz des magnetischen Dipolübergangs der Fein- struktur im Grundzustand von borähnlichem Argon wurde mit einer unübertroffenen relativen Genauigkeit von 9.4×10e−9 gemessen. Hierzu wurde eine neuartige Spektroskopiemethode verwendet, die den CSGE nutzt und keiner Fluoreszenzdetektion bedarf. Das hier gezeigte Prinzip kann auch auf andere Systeme angewandt werden und eröffnet somit neue Möglichkeiten zum Test von BS-QED in stärksten elektromagnetischen Feldern durch Untersuchung der Hyperfeinstruktur von schweren HCI im optischen Bereich mittels Laserspektroskopie.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Blaum, Prof. Dr. Klaus
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 22 April 2020
Date Deposited: 05 May 2020 07:59
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
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