German Title: Eine ultra-rauscharme, supraleitende Hochfrequenz-Ionenfalle für Frequenzmetrologie mit hochgeladenen Ionen

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Abstract

Highly charged ions (HCIs) are excellent candidates for next-generation frequency standards, as they feature a much-reduced susceptibility to external perturbations, and are proposed to stringently test physics beyond the Standard Model of particle physics. These applications require spectroscopy of HCIs with an accuracy on the level of state-of-the-art trapped-ion frequency standards. In order to overcome the current limitations due to motional frequency shifts, an efficient suppression of trap-induced heating rates is essential. To that end, a new cryogenic Paul trap experiment, CryPTEx-II, was developed and commissioned within this work. It consists of a novel superconducting ion trap uniquely combining a radio-frequency (rf) cavity and a Paul trap, and a low-vibration cryogenic supply to cool the trap to temperatures of 4.15 K while decoupling external vibrations. The cavity features an electric quadrupole mode at 34.52 MHz with a quality factor of ~2.3 x 10^5, which allows for stable confinement of ions in ultralow-noise rf potentials and is expected to result in strongly suppressed motional heating rates. Commissioning experiments comprised the operation of the cavity as a quadrupole mass filter to focus HCIs through the cavity as well as the first trapping and laser cooling of 9Be+ ions. These constitute the successful proof-of-principle operation of this unique apparatus, which will be used for high-precision experiments with HCIs in the future.

Translation of abstract (German)

Hochgeladene Ionen sind aussichtsreiche Kandidaten für Frequenzstandards der nächsten Generation, da sie eine stark unterdrückte Sensitivität für externe Störungen aufweisen, und wurden zudem vorgeschlagen, Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu testen. Diese Anwendungen erfordern Spektroskopie hochgeladener Ionen mit der Genauigkeit moderner Frequenzstandards basierend auf gespeicherten, einfach geladenen Ionen. Um die vorherrschenden Limitierungen durch bewegungsbedingte Frequenzverschiebungen zu überwinden, ist eine effektive Unterdrückung der fallenspezifischen Heizraten unabdingbar. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues kryogenes Paulfallen-Experiment, CryPTEx-II, entwickelt und in Betrieb genommen. Es besteht aus einer neuartigen, supraleitenden Paulfalle, die als einzigartige Kombination von Hochfrequenz-Resonator und Ionenfalle realisiert ist, und einer vibrationsarmen, kryogenen Zuleitung, welche die Fallenregion auf Temperaturen von 4.15K abkühlt und von externen Vibrationen entkoppelt. Der Resonator weist eine Quadrupolresonanz des elektrischen Feldes bei 34.52 MHz mit einer Güte von ~2.3 x 10^5 auf. Diese sollte die stabile Speicherung von Ionen in ultra-rauscharmen Hochfrequenzfeldern bei drastisch unterdrückten Heizraten der Bewegung ermöglichen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Inbetriebnahme beinhaltet die Verwendung des Resonators als Quadrupol-Massenfilter zur Fokussierung hochgeladener Ionen durch diesen hindurch und die ersten Experimente mit gespeicherten, Laser-gekühlten 9Be+-Ionen. Dies beweist die volle Funktionalität dieser einzigartigen Apparatur, welche zukünftig Anwendung bei Hochpräzisionsexperimenten mit hochgeladenen Ionen finden wird.