Atom Trap Trace Analysis of Calcium Isotopes

Steven Hoekstra

Published Jan 1, 2005• 1 citation

Abstract

Het zoeken naar een calcium-41 atoom is als het zoeken naar een speld die verborgen kan zijn in niet één hooiberg, maar wel duizend hooibergen. In zijn promotieonderzoek werkte Steven Hoekstra aan een methode waarmee die speld toch binnen afzienbare tijd opgespoord kan worden. Calcium-41, kortweg 41Ca, is een zogenaamd sporenelement. Het kunnen detecteren ervan kan om uiteenlopende redenen nuttig zijn, bijvoorbeeld in biomedisch onderzoek aan botontkalking. Maar het zou ook een manier kunnen zijn om oude botten te dateren, vergelijkbaar met de bekende koolstofdateringsmethode. De experimentele methode waaraan Hoekstra werkte heet Atom Trap Trace Analysis (ATTA) en is gebaseerd op de interactie tussen atomen en laserlicht. Met behulp van dit laserlicht worden de verschillende calciumisotopen gescheiden en uiteindelijk gevangen in een ‘magneto-optische val’. Die bestaat uit een combinatie van zes laserbundels met een magnetisch veld. In de val kunnen we de verschillende calciumisotopen met grote gevoeligheid detecteren. Zelfs is het gelukt het uiterst zwakke signaal van één enkel atoom te meten. De huidige stand van zaken is dat de opstelling voldoende gevoelig voor de genoemde biomedische toepassing. Hiervoor kunnen monsters worden gebruikt die verrijkt zijn met extra 41Ca. Uit berekeningen van Hoekstra blijkt dat door het gebruik van extra laser-vermogen de efficiëntie van de opstelling nog verhoogd kan worden. Dat zou de opstelling ook voor de andere genoemde toepassing, radiocalciumdatering, geschikt maken.

Related papers

Creation of cold and dense ensembles of calcium atoms

Felix Vogt

Das Verhalten von kalten (15 µK) Calcium-Atomen in einer geeigneten optischen Dipolfalle wurde untersucht.Prozesse, die die Phasenraumdichte des in der Dipolfalle gespeicherten Calcium-Ensembles begrenzen, wurden identifiziert und untersucht.Zusammen mit der experimentell bestimmten Grundzustands-Streulänge wurden die Aussichten für die Realisierung eines Calcium Bose-Einstein-Kondensats erörtert.Die Dipolfalle wurde so konzipiert, dass ihr Betrieb mit der Laserkühlung auf dem schmalen Interkombinationsübergang 4s 2 1 S 0 → 4s4p 3 P 1 bei 657 nm verträglich ist.Atome, die in einer auf dem Interkombinationsübergang operierenden magneto-optischen Falle gekühlt und gespeichert werden, können nur begrenzt in die Dipolfalle transferiert werden, da das 657 nm Laserlicht zur Photoassoziation von Ca 2 -Molekülen führt, die aus der Dipolfalle verloren gehen.Die entsprechende Zweikörper-Verlustrate konnte zusammen mit der Einfangrate der Dipolfalle und den Verlustraten der magneto-optischen Falle in einem Modell erfaßt werden, das die Ladedynamik der Dipolfalle beschreibt.Eine maximale Steigerung der Phasenraumdichte des Calcium-Ensembles auf 0.045 konnte im Kreuzungsbereich zweier Dipolfallen erreicht werden.Der Transfer von Atomen aus einer Einzelfalle in den Kreuzungsbereich beider Fallen wird durch elastische Stöße hervorgerufen.Die Teilchenzahl im Kreuzungsbereich wird durch inelastische Dreikörper-Stöße begrenzt, deren Rate jedoch mehr als eine Größenordnung kleiner ist als die elastische Stoßrate.Die Ladedynamik des Kreuzungsbereichs wird durch ein Modell beschrieben, das die verschiedenen Raten berücksichtigt.Die Grundzustands-Streulänge wurde durch Photoassoziations-Spektroskopie unterhalb der 4s 2 1 S 0 + 4s4p 1 P 1 Asymptote bestimmt.Im Vergleich zu früheren Messungen erlaubten verbesserte experimentelle Bedingungen einen größeren Bereich von Kernabständen zu erfassen.Die damit verbundenen genaueren Messungen liefern nun einen Bereich der Streulänge zwischen 340a 0 und 700a 0 und lösen damit die Diskrepanz zwischen den Ergebnissen früherer Messungen.Als Ergebnis der Untersuchungen ist es nun möglich den experimentell aussichtsreichsten Weg für die Erzeugung eines Calcium Bose-Einstein-Kondensats aufzuzeigen, das zahlreiche neue und faszinierende Forschungsmöglichkeiten bietet.

Jan 1, 20090 citations

Single-atom detection of calcium isotopes by atom-trap trace analysis (8 pages)

H. W. Wilschut, A. K. Mollema, Steven Hoekstra +1 more

Physical Review AJan 1, 20052 citations

Mechanisms for photonic switching in systems with strongly interacting dipoles

Joost A. Klugkist

In dit proefschrift bestuderen we mechanismen voor ultra-kleine licht schakelaars. Toepassing van dit soort mechanismen kan de weg vrijmaken voor nieuwe klassen van optische materialen, waarin op nanometerschaal de transmissie van licht aan- en uitgeschakeld kan worden. De controle van de gang van licht door micro- en nanometerschaal optische materialen vormt een belangrijk onderwerp van onderzoek. Onderzoek in dit vakgebied is van groot belang voor onder andere optische informatieverwerking en kan mogelijk leiden tot de ontwikkeling van computers die gebruikmaken van optische schakelingen (vgl. de huidige generatie computers, die de informatieoverdracht bewerkstelligt door middel van elektronische schakelingen). Door wisselwerkingen tussen een groot aantal identieke bouwstenen kunnen zich interessante fenomenen voordoen. Hierbij kan men bijvoorbeeld denken aan de bijzondere eigenschappen van water, die pas bij een groot aantal watermoleculen aan het licht komen. Zonder wisselwerking kan geen collectiviteit optreden. De optische fenomenen die we in dit proefschift hebben onderzocht zijn collectieve eigenschappen van configuraties van electrische dipolen. Een electrische dipool is ´e´en van de meest eenvoudige systemen om de wisselwerking tussen licht en materie te beschrijven. Een electrische dipool wordt gevormd door een dicht bij elkaar staande positieve en negatieve lading. Zoals een magnetische dipool gericht kan worden door een magnetisch veld, kan een electrische dipool worden gericht door een electrisch veld. Op moleculair niveau kan de electronenwolk rond het molecuul met de positieve atoomkernen een dipool vormen. Door absorptie van licht kan bovendien een dipoolmoment in een molecuul worden ge¨induceerd. De energie van een foton wordt opgeslagen in de veranderde electronen-configuratie van het molecuul (als potenti¨ele energie). Het molecuul is dan van de energetisch meest gunstige toestand (de grond- toestand) in een aangeslagen toestand gebracht. De grootte van het ge¨induceerde dipoolmoment wordt overgangsdipool genoemd. Stoffen met grote overgangsdipolen hebben een sterke wisselwerking met licht. Een molecuul met een overgangsdipool kan in de meest eenvoudige benadering worden beschreven als een systeem met twee niveaus: een toestand met een lage energie - de grondtoestand - en een toestand met een hogere energie, die bereikt kan worden door absorptie van licht - de aangeslagen toestand. Kleurstoffen zijn stoffen die grote overgangsdipoolmomenten hebben, waardoor ze een sterke wisselwerking met licht hebben. In hoofdstuk twee beschrijven we in detail de uitzonderlijke optische eigenschappen van clusters (ook wel moleculaire aggregaten genoemd) van kleurstof-moleculen. De moleculen in het cluster worden door electrostatische krachten bij elkaar gehouden. De optische eigenschappen van deze clusters verschillen sterk ten opzichte van de optische eigenschappen van een enkel kleurstof-molecuul. Dit kan inzichtelijk worden gemaakt door het volgende vereenvoudigde beeld: een electromagnetisch veld (licht) zorgt voor een trillende electronenconfiguratie, die een trillende dipool ten opzichte van de positieve kernen vormt. Deze induceert ook trillingen in naburige kleurstofmoleculen. Het veld brengt het cluster in een collectieve aangeslagen toestand. De collectieve toestanden van het cluster hebben een veel groter overgangsdipoolmoment dan de individuele moleculen. Daardoor hebben deze clusters van kleurstof-moleculen een bijzonder sterke wisselwerking met licht, waardoor het een interessant studieobject is. In hoofdstuk drie en vier laten we zien dat een dunne laag van moleculaire aggregaten als een volledig optische schakelaar kan werken. Licht met een lage intensiteit wordt door deze dunne laag volledig gereflecteerd. Deze reflectie is het gevolg van de sterke absorptie van de moleculaire aggregaten. De hoeveelheid energie die de film kan opslaan is echter beperkt. Licht met een hoge intensiteit kan de film verzadigen, waardoor een bijna volledige transmissie van het licht optreedt. Door het systeem met een externe lichtpuls te verzadigen, kan de transmissie van andere lichtbronnen worden geregeld. In hoofdstuk vijf, zes en zeven onderzoeken we eigenschappen van wanordelijke moleculaire ketens. Deze wanorde is het gevolg zijn van de chaotische omgeving rond de ketens. Er wordt gekeken hoe materiaal-eigenschappen afhangen van de mate van wanorde. Door bepaalde karakteristieken te schalen als functie van de sterkte van de wanorde laten we zien dat deze eigenschappen in feite niet veranderen. Ondanks de willekeur kunnen er toch heel algemene uitspraken over deze systemen worden gedaan, die niet afhangen van de sterkte van de wanorde. In deze drie hoofdstukken wordt verder aandacht geschonken aan experimenten waarbij de absorptie van licht door de ketens wordt gemeten. In het bijzonder kijken we naar de verandering van het spectrum van het geabsorbeerde licht als het systeem al energie van een eerdere licht puls heeft opgenomen. In het laatste deel van dit proefschrift hebben we een zogenaamd fotonisch kristal gemodeleerd. Fotonische kristallen hebben door hun microscopische structuur een sterke wisselwerking met zichtbaar licht. De meeste fotonische kristallen hebben optische eigenschappen die niet veranderd kunnen worden als het kristal eenmaal gefabriceerd is. Bij bijzondere kristallen kan de doorlaatbaarheid van licht worden veranderd door invloed van buitenaf. Een dergelijk kristal kan als een optische schakelaar worden gebruikt, een belangrijk element in optische informatieverwerking. Het fotonische kristal dat we onderzocht hebben bestaat uit invallend licht dat interactie heeft met een rooster van Lorentz-oscillatoren. Een Lorentz-oscillator is de meest eenvoudige beschrijving van de interactie tussen licht en materie. Materie wordt voorgesteld door een massa met een positieve lading die met een veer aan een massa met een negatieve lading is bevestigd. Het massa-veer systeem wordt door het electromagnetische veld in beweging gebracht, waardoor een trillende dipool ontstaat. Dit systeem is een elegant model om de licht-materie interactie te beschrijven en te visualiseren. Wat dit model van een fotonisch kristal bijzonder maakt, is dat een spontane overgang plaatsvindt naar een nieuwe geordende toestand bij voldoende sterke wisselwerking tussen de dipolen en het licht. De dipolen zijn dan verplaatst van hun oorspronkelijke evenwichtspositie, zodat de symmetrie van het oorspronkelijke kristal is gebroken. Dat er een faseovergang plaats kan vinden, was al langer bekend, maar dit was nog niet eerder in de context van fotonische kristallen geplaatst. De optische eigenschappen veranderen als er een structuurverandering plaatsvindt. Een interessante mogelijkheid doet zich voor nabij de faseovergang. De dipolen zijn dan sterk te be¨invloeden door een extern electrisch veld. Met het externe veld kan de lichtdoorlaatbaarheid van het kristal worden beinvloed, zodat het als een optische schakelaar kan worden gebruikt.

Jan 1, 20081 citation

Atom Trap Trace Analysis of Ca Isotopes

Steven Hoekstra, A. K. Mollema, Reinhard Morgenstern +3 more

Springer eBooksAug 14, 20060 citations

Het PQC-migratie handboek : Richtlijnen voor het migreren naar post-quantumcryptografie

Dit handboek ondersteunt organisaties met concrete stappen en advies om de dreiging van quantumcomputersvoor cryptografie te beperken. Het moment waarop quantumcomputers een dreiging zullen vormenvoor momenteel gebruikte cryptografie is onvoorspelbaar. Toch moeten bepaalde organisaties nu al aan oplossingenwerken vanwege het risico dat quantumcomputers met zich meebrengen. Bijvoorbeeld organisatiesdie data verwerken die zelfs over 20 jaar nog vertrouwelijk moeten blijven of die systemen met een langelevensduur ontwikkelen. De meest veelbelovende oplossing is de zogenaamde post-quantumcryptografie(PQC). PQC kan draaien op nagenoeg dezelfde systemen die nu in gebruik zijn en is veilig tegen quantumcomputers.Migreren naar PQC kost echter bijzonder veel tijd en middelen. Afgaande op eerdere migratieskan dit ruim meer dan vijf jaar in beslag nemen.Organisaties dienen daarom nu al te beginnen zich op de quantum-dreiging voor te bereiden. Als eersteno-regret move zou elke organisatie al een PQC-diagnose moeten uitvoeren. Deze eerste stap is bedoeld omte bepalen welke houding een organisatie moet aannemen op basis van het soort gegevens dat ze verwerkten haar risico-oppervlak. Verder is het aan te raden een inventarisatie te maken van alle gebruikte cryptografischetechnieken, van de data die ze beschermen en van wie deze assets beheert. Alleen dan kan eenorganisatie de mate van urgentie correct inschatten. Deze inventarisatie verkleint later ook het risico op eenoverhaaste, foutgevoelige migratie die in de toekomst onnodige kosten en risico's met zich zou meebrengen.Het is voor elke organisatie nuttig om een dergelijke inventarisatie te maken en up-to-date te houden, aangezienelke organisatie vroeg of laat zal moeten migreren.Na deze eerste stap richt het handboek zich tot de zogenaamde urgente adopters, organisaties die daadwerkelijkzo snel mogelijk met de migratie moeten starten omdat ze anders over twintig jaar onaanvaardbarerisico's lopen. De volgende twee stappen van de migratie bestaan uit het plannen en het uitvoeren van demigratie. In de planningsfase is het belangrijk om een speciaal team te vormen om de migratie uit te voerenen ervoor te zorgen dat er bedrijfsprocessen actief zijn om de migratie soepel te laten verlopen. Vanuittechnisch oogpunt kunnen organisaties PQC op verschillende manieren implementeren. Voor momenteelgebruikte systemen is mogelijk niet elke PQC-oplossing geschikt. Dit handboek geeft concrete handvattenvoor het kiezen van een geschikte implementatiestrategie voor PQC, afhankelijk van de functionaliteitendie de organisatie levert of beheert. Dit kan betekenen dat een organisatie nieuwe hardware moet kopen ofmoet overstappen op nieuwe leveranciers die de juiste PQC-oplossingen ondersteunen.Ten slotte moet de organisatie dit plan uitvoeren. Het is van groot belang daarbij voorzichtig te werk te gaanom geen nieuwe risico's te introduceren. Dit handboek bevat richtlijnen voor het migreren van verschillendesoorten cryptografie op basis van de strategieën die in de planningsfase zijn gekozen. Bovendien is het nietonwaarschijnlijk dat er de komende jaren nieuwe kwetsbaarheden in de PQC-oplossingen worden ontdekt.Daarom is het belangrijk om cryptographic agility in gedachten te houden. Met cryptographic agility kan eenorganisatie gemakkelijk geïmplementeerde cryptografische primitieven aanpassen of vervangen zonder datdit de processen van organisaties bovenmatig verstoort. Dit is vooral belangrijk wanneer wanneer er er nieuweverbeteringen of kwetsbaarheden in protocollen worden ontdekt.

Jan 1, 20230 citations

Trapping and Evaporative Cooling of Metastable Helium

Paul J. J. Tol

Wanneer een gas bijna tot het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius, 0 K) gekoeld wordt en voldoende dichtheid heeft, treedt soms Bose-Einsteincondensatie (BEC) op. Dit effect is een gevolg van het quantumgedrag van verzamelingen identieke deeltjes: de quantummechanische golven die de atomen beschrijven, spreiden zich uit en overlappen elkaar, wat de atomen in dezelfde toestand met de laagste energie dwingt. Paul Tol beschrijft in zijn proefschrift experimenten die zullen leiden naar BEC in metastabiel helium, helium dat met een ontlading in een langlevende aangeslagen toestand gebracht is. Daarbij neemt verdampingskoeling een belangrijke plaats in: de atomen met de meeste energie verlaten de val en door elastische botsingen wordt de energie van de overgebleven atomen herverdeeld. De gemiddelde energie van de resterende atomen wordt kleiner, uitmondend in een koudere en dichtere wolk. Laserlicht wordt gebruikt voor de koeling in het begin en voor de bepaling van het aantal atomen in een gaswolk. Om dit laatste nauwkeurig te kunnen doen, wordt het theoretische verband tussen de relatieve absorptie van het licht en het aantal atomen opnieuw afgeleid, zonder de gebruikelijke simplificaties. Het theoretische model dat de koeling tot het absolute nulpunt beschrijft, wordt ook aangepast om het te kunnen toepassen bij hogere starttemperaturen, zodat het koeltraject geoptimaliseerd kan worden. Deze modellen zijn zo opgesteld dat ze ook gebruikt kunnen worden voor andere gassen.

Feb 9, 20054 citations