Abstract Ein einzelnes Ion, gespeichert in einer „Ionenfalle”︁, ist ein mikrophysikalisches Präparat: Es erlaubt die fast beliebige Wiederholung seiner Beobachtung und erhält damit Individualität. Wiederholte identische Präparation des Ionenzustands ermöglicht die Prüfung quantenmechanischer Aussagen an Einzelteilchen. Reproduzierbarkeit und die Freiheit von äußeren Störungen legen nahe, gespeicherte Einzelionen als Frequenznormale und damit als Primäruhren einzusetzen.
Abstract Ein einzelnes Ion, gespeichert in einer „Ionenfalle”︁, ist ein mikrophysikalisches Präparat: Es erlaubt die fast beliebige Wiederholung seiner Beobachtung und erhält damit Individualität. Wiederholte identische Präparation des Ionenzustands ermöglicht die Prüfung quantenmechanischer Aussagen an Einzelteilchen. Reproduzierbarkeit und die Freiheit von äußeren Störungen legen nahe, gespeicherte Einzelionen als Frequenznormale und damit als Primäruhren einzusetzen.
Ein Ion bildet in einer Ionenfalle ein quantenmechanisches Zwei-Niveau-System: ein Quantenbit. Mit Laserlicht lassen sich zwei oder mehr 40Ca+-Ionen in der Falle so präparieren, dass sie miteinander verschränkte Quantenbits bilden. Mit diesen Qubits sind Grundoperationen der Quanteninformationstechnik durchführbar, zum Beispiel die Herstellung von Bell-Zuständen. Auch die Dichtematrix der Quantenzustände lässt sich damit direkt vermessen. Drei und mehr Ionen können auch auf verschiedene Art miteinander verschränkt werden. Damit bilden Ionen in einer Falle einen idealen Experimentierbaukasten. Er macht alle grundlegenden quantenmechanischen Prozesse einer ganz direkten Beobachtung zugänglich.
Um den Denkansätzen der Elementarteilchenphysik folgen zu können, ist es unerläßlich, sich mit einigen grundlegenden Prinzipien der Mikrophysik bekannt zu machen. Mit Mikrophysik meinen wir jenes Teilgebiet der Physik, das die Wechselwirkungen von Körpern über sehr kurze Entfernungen, über atomare oder subatomare Distanzen umfaßt. Die Theorie, die die Gesetzmäßigkeiten dieses so gänzlich außerhalb unserer Alltagserfahrung liegenden Bereiches umfaßt, heißt Quantentheorie oder Quantenmechanik.
Ionenfallen-Quantenbits (Qubits) gehören zu den vielversprechenden Ansätzen zur Realisierung skalierbarer Quantencomputer. Eine Paul-Ionenfalle muss mit mehreren Gleichspannungs- (DC) und einem Radiofrequenzsignal (RF) betrieben werden, um einzelne Ionen zu fangen und den Quantenzustand zu kontrollieren, in dem das Qubit implementiert ist. Viele Ionenfallen werden bei kryogenen Temperaturen betrieben, um thermisches Rauschen zu unterdrücken, Ultrahochvakuum-Bedingungen zu ermöglichen und Quantenoperationen mit niedrigen Fehlerraten zu erreichen. Ein Resonanzkreis aus einer Spule und der Kapazität der Fallelektroden wird verwendet, um ein RF-Signal mit geringer Leistung in unmittelbarer Nähe der Ionenfalle auf eine hohe Spannungsamplitude zu bringen, welche das Fangen von Ionen ermöglicht. Ein Impedanzanpassungsnetzwerk in Form eines Kondensators wird eingesetzt, um die Leistungsverluste durch Reflexion auf −16 dB zu reduzieren. Da sich die Eigenschaften von Metallen und Halbleiterbauelementen bei tiefen Temperaturen deutlich ändern, kann das wiederholte Abkühlen, Messen, Aufwärmen und die Justierung der Kapazität für die Impedanzanpassung des Resonators herausfordernd sein. Elektrisch einstellbare Komponenten für RF-Schaltungen ermöglichen eine Feinabstimmung des Impedanzanpassungsnetzwerks während des Experiments, ohne zeitaufwändige Abkühlzyklen durchführen zu müssen. Es wird ein elektrisch abstimmbares Impedanzanpassungsnetzwerk auf Basis von Varaktordioden demonstriert, das eine Reduzierung der Leistungsreflexion von bis zu −65 dB erreicht. Die Art der Impedanzanpassung ermöglicht es, die Schaltung noch näher an der Ionenfalle zu platzieren, was zur Reduktion thermischer Verluste führt. Durch die deutlich kürzere Verbindung zwischen Resonator und Ionenfalle ist das Überkoppeln anderer Signale auf die RF-Elektroden ebenfalls reduziert. Ein erhöhter Gütefaktor (Q-Faktor) des Resonanzkreises führt zu einem höheren Spannungsverstärkungsfaktor. Zudem profitiert das Experiment von einer stärkeren Unterdrückung parasitärer Frequenzanteile im einschließenden elektrischen Feld der Ionenfalle. Der Q-Faktor ist umgekehrt proportional zur Kapazität der RF-Elektroden. Da Ionenfallen zur Erhöhung der Anzahl an Qubits größer werden und ihre Kapazität entsprechend zunimmt, wird die Entwicklung verlustarmer Spulen für den Resonator zunehmend wichtiger. Der Aufbau einer supraleitenden Spule für einen Resonator mit hohem Q-Faktor, sowie Messungen des Q-Faktors und dessen Temperaturabhängigkeit, werdenvorgestellt. Die Spule aus Niob-Titan-Draht, der auf einem Spulenkörper aus einer technischen Keramik mit Außengewinde gewickelt und mit zusätzlichen Elementen zur Thermalisierung versehen ist, erreicht einen QFaktor von 1200 bei einer Temperatur von 4K. Sie wird mit einer Spule aus hochreinem Kupferdraht verglichen, die einen Q-Faktor von 660 bei gleicher Temperatur aufweist. Zudem wurde ein Steckverbinder entwickelt, der auch bei kryogenen Temperaturen einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen dem Draht des Resonators und Leiterplatten gewährleistet. Die Form des Kupfergehäuses wurde für die Positionierung neben der Ionenfalle optimiert. Eine Methode zur korrekten Installation, sowie zur Berechnung der erforderlichen Eingangsleistung zur Erzeugung einer bestimmten Spannungsamplitude, werden beschrieben. Außerdem werden Designs supraleitender Dünnschichtresonatoren zur weiteren Miniaturisierung der Schaltung vorgestellt. Als Supraleiter wird Yttrium-Barium-Kupferoxid mit einer kritischen Temperatur von bis zu 90K verwendet. Die Dünnschichten werden in unserem eigenen Depositionsprozess auf 10mm × 10mm Substraten abgeschieden. Die Miniaturisierung auf Chipgröße ermöglicht es, den Resonator in unmittelbarer Nähe der Ionenfalle oder sogar im Sockel eines Fallenchips zu integrieren. Die Technologie ist zudem für die Detektion der Zyklotron- Frequenz von gefangenen (Anti-)Protonen in Penningfallenexperimenten anwendbar. Messungen der Induktivität, der Kapazität, des Gütefaktors und des kritischen Stroms der Dünnschichten werden präsentiert, um die Funktionalität dieses Ansatzes zu demonstrieren.
Die Materie als die unabhängig von unserem Bewußtsein existierende objektive Realität hat unübersehbar viele Gattungen. Von diesen sind für uns besonders die Stoffarten wichtig, aus denen sich der Mensch selbst und die in seiner Umgebung unmittelbar wahrnehmbaren Gegenstände aufbauen. Das sind die Atome und Moleküle, ferner die aus ihnen — als diskrete Teilchen — entstehenden makroskopischen Körper, die zusammenfassend als chemische Stoffe bezeichnet werden können. Im täglichen Leben und meistens sogar auch in den Naturwissenschaften denkt man im allgemeinen — sofern man von Materie spricht — an chemische Stoffe, obwohl auf Grund der Ergebnisse, die die Physik im letzten halben Jahrhundert erzielte, keine Zweifel darüber bestehen, daß es noch zahlreiche andere Arten der Materie gibt, deren Eigenschaften zum Teil gründlich von denen der chemischen Stoffe abweichen (so sind z. B. die physikalischen Felder nicht von diskreter, sondern von einer Kontinuumstruktur).
Ziel der hier vorliegenden Arbeit war es, ein einzelnes in einer Ionenfalle gespeichertes Kalziumion als Meßsonde fuer das elektromagnetische Feld eines optischen Resonators zu verwenden. Bei einer Anregungswellenlaenge von 397 nm konnte das Feld mit einer Aufl¨osung von 60 nm unterhalb der Beugungsgrenze vermessen werden. Die untere Grenze der Aufloesung wird bei Verwendung eines gespeicherten Ions nur durch die Ausdehnung der Wellenfunktion des Ions im Schwingungsgrundzustand des Fallenpotentials bestimmt und kann bei Kuehlung des Ions in den Schwingungsgrundzustand weniger als 10 nm betragen. Die Aufloesungsgrenze von 60 nm war aufgrund der Doppler-Kuehlung durch die Restbewegung des Ions bestimmt. Aufloesungen unterhalb der Beugungsgrenze werden auch bei der Nahfeld- Mikroskopie erreicht, wobei die Aufl¨osung durch die Groeße der Meßsonde gegeben ist. Durch die Verwendung einzelner Molekuele als Meßsonde wurden Aufloesungen unter 100 nm erzielt. Gemessen wird die Intensitaetsverteilung des optischen Nahfeldes durch Detektion des Fluoreszenzlichtes, das vom Molek¨ul in Abhaengigkeit seiner Position emittiert wird. Um die Position des Molekuels relativ zur Probe kontrollieren zu koennen, muß das Molekuel in einer Kristallmatrix oder auf einem Substrat fixiert werden mit dem Nebeneffekt, daß das zu messende Feld veraendert wird. Diese unerwuenschte Beeinflussung der Meßgr¨oße durch die Messung wird bei der Vermessung des Feldes mit einem einzelnen Ion in einer Ionenfalle vermieden. Das zu diesem Zweck entwickelte System aus linearer Ionenfalle und optischem Resonator ermoeglicht es, die relative Position zwischen Ion und elektromagnetischem Feld auf Bruchteile der Wellenl¨ange des Feldes festzulegen und so die unverfaelschte Feldverteilung mit hoher Aufloesung dreidimensional zu vermessen. Die genaue relative Positionierung von Ion und Resonatormode impliziert dabei die praezise Kontrolle der Kopplung zwischen einem einzelnen Ion und dem elektromagnetischen Feld einer Resonatormode. Das hier vorgestellte System bietet demzufolge auch ideale Voraussetzungen, um Resonator-Quantenelektrodynamik mit einzelnen Ionen durchzufuehren. Experimente, die die Wechselwirkung einzelner Atome mit dem elektromagnetischen Feld einer Resonatormode untersuchen, verwenden bis heute Atome, die den Resonator durchqueren oder im Umkehrpunkt eines atomaren Springbrunnens fuer wenige Millisekunden im Resonatorfeld verweilen. Diese Messungen beinhalten also immer eine Mittelung ueber die tats¨achlich im Resonatorfeld befindlichen Atome und ihre unterschiedliche Kopplung an das Resonatorfeld. Die Atomstatistik zerstoert in diesen Experimenten im allgemeinen nichtklassische Effekte, die in einem idealen System aus einzelnem Atom und Resonatorfeld theoretisch er- wartet werden. Die hier beschriebene Anordnung erlaubt dagegen, wie die dreidimensionale Vermessung einer Feldmode zeigt, daß eine exakte Kontrolle ueber die Ion-Feld Kopplung bei nahezu unbegrenzter Speicherzeit des Ions im Resonatorfeld erreicht wird. Auf den erzielten Ergebnissen aufbauend koennen Experimente im Bereich der starken Ion-Feld Kopplung durchgefuehrt werden, bei denen die oben erwaehnten Nachteile bisheriger Experimente nicht mehr vorhanden sind. Erstmals eroeffnet sich die Meoglichkeit der deterministischen Erzeugung von Ein- Photonen-Pulsen und der Konstruktion eines Lasers, der mit nur einem einzigen Ion als aktivem Medium betrieben werden kann. Zur Lokalisierung eines einzelnen Kalziumions im Resonatorfeld, wurde eine lineare Falle vom Typ eines Quadrupol-Massenfilters konstruiert. Entlang ihrer Achse ist diese Falle in mehrere Speicherzonen unterteilt, in denen jeweils ein einzelnes Kalziumion oder auch eine Kalziumionenwolke gespeichert werden kann. In einer Speicherzone wird die Falle geladen, waehrend die Experimente in einer 2,5 cm entfernten Zone durchgefuehrt werden, die zwischen den Spiegeln eines Resonators liegt. Auf diese Weise wird eine Aufladung der Spiegel und eine Bedampfung der hochreflektierenden Beschichtung waehrend des Ladens verhindert. Durch die Anordnung mehrerer Gleichspannungselektroden entlang der Fallenachse koennen Ionenwolken mit hoher Effzienz von der Laderegion in den Bereich zwischen den Resonatorspiegeln verschoben werden. Das Anlegen von Spannungspulsen an die Speicherelektroden der Falle ermoeglicht es, die Ionenzahl auf die gewuenschte Anzahl zu reduzieren. Die K¨uhlung der Ionen erfolgt ¨uber Dopplerkuehlung auf dem 2S1/2 ↔ 2P1/2 ¨Ubergang bei der Wellenl¨ange λ = 397 nm. Ein einzelnes Ion laeßt sich nun im Minimum des Fallenpotentials auf besser als λ/10 lokalisieren. Der optische Resonator besteht aus sphaerischen Spiegeln, die eine fuer 397 nm hochreflektierende dielektrische Beschichtung besitzen. Mit einer Finesse von 3000 und einem Spiegelabstand von 6 mm, lassen sich mit diesem Resonator Experimente im Bereich der schwachen Kopplung durchf¨uhren. Fuer die Durchfuehrung der zuvor erw¨ahnten Experimente im Bereich der starken Kopplung muß ein Resonator verwendet werden, dessen Spiegel bei 866 nm beschichtet sind und der eine Finesse von 30000 bis 300000 aufweist. Die Resonatorl¨ange wird aktiv stabilisiert, so daß die Transmission fuer einen eingekoppelten Laser bei 397 nm maximal wird. Auf diese Weise kann ein im Resonatorfeld befindliches Ion ueber die Resonatormode angeregt werden und das Fluoreszenzlicht des Ions, das den Resonator seitlich verlaeßt, kann zur Bestim- mung der Ion-Feld Wechselwirkung gemessen werden. Die Intensitaet der detektierten Fluoreszenz ist direkt proportional zur Intensit¨at des Resonatorfeldes, d. h. aus ihr kann die Intensitaet des optischen Feldes und die Position des Ions im Resonatorfeld bestimmt werden. Die Kopplung zwischen Ion und Resonatorfeld laeßt sich auf zwei Weisen einstellen. Zum einen kann das Ion durch das Anlegen einer Gleichspannung entlang der mikrobewegungsfreien Fallenachse verschoben werden. Die Verschiebung laeßt sich reproduzierbar einstellen, so daß die Lokalisierung des Ions auf besser als λ/10 waehrend des Verschiebevorgangs erhalten bleibt. Zum anderen ist der Resonator auf einem Piezotisch positioniert, so daß bei raeumlich fest lokalisiertem Ion jeder Punkt der Intensitaetsverteilung im Resonator mit dem Ort des Ions zum Ueberlapp gebracht werden kann. Eine Positionierung des Resonators relativ zum Ion ist noetig, da bei Ionenverschiebungen senkrecht zur Fallenachse die Lokalisierung des Ions auf besser als λ/10 aufgrund der Mikrobewegung im Fallenpotential nicht mehr erreicht werden kann. Die experimentelle Realisierung einer vollstaendigen Kontrolle ¨uber die Ion-Feld Kopplung wird eindrucksvoll demonstriert durch die Verwendung eines einzelnen Ions als nanoskopische Meßsonde zur Vermessung der Intensitaetsverteilung verschiedener Resonatormoden. Sowohl die Stehwellenverteilung entlang der optischen Achse als auch die transversale Verteilung einiger TEM Moden konnte mit hoher Aufloesung vermessen werden. Neben der Kontrolle der Kopplung eines einzelnen Ions ist es auch moeglich, einen Ionenkristall entlang der Achse durch die Resonatormode zu schieben. Hierzu wurde ein Zwei-Ionen-Kristall transversal durch eine TEM01 Mode geschoben. Die gemessene Flureszenzrate als Funktion der Schwerpunktsposition des Ionenkristalls zeigt, daß beide Ionen in je einem der Maxima der TEM01 Mode gleichzeitig lokalisiert werden koennen. Diese Kombination eroeffnet Anwendungen im Bereich der Quanteninformation. Realisierbar ist die Verschraenkung von Ionen, die Uebertragung eines Quantenzustandes von einem Ion auf das andere und die Ausfuehrung eines 2-Bit-Quanten-Gatters. Darueber hinaus ist es aufgrund der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse vorstellbar, eine Ionenkette Ion fuer Ion durch die TEM00 Mode zu schieben und so Quantenzustaende von einem Ion auf ein anderes zu ¨ubertragen. Ebenso ist eine Uebertragung von Quantenzustaenden ueber große Entfernungen, d. h. von einem Resonator zu einem anderen, in den Bereich des Moeglichen gerueckt.
Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.