Light ion sympathetic cooling for precision measurements

• Applicant: Professor Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas ; Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 243571260

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Wichtigster Fortschritt im Projekt BESCOOL ist die Umsetzung von sympathetischer Kühlung von Ionen. Im Gegensatz zu den sonst verwendeten optischen Kühlverfahren können beliebige Ionen, die in der Falle eingefangen und gespeichert werden mit ein und demselben Laser gekühlt werden – eine ganz wesentliche Erleichterung, denn für viele atomare und molekulare Ionen sind gar keine elektronischen Übergänge für die Laserkühlung verfügbar oder die Laserwellenlängen sind schwer erreichbar bzw teuer. Nur unter Verwendung von einfach verfügbaren und kostengünstigen Diodenlasern kann jedes beliebige Ion nahe an den Bewegungsgrundzustand, auf eine Temperatur im µK Bereich gekühlt werden. Wir haben diese sympathetische Kühlung an mit Hilfe von Ca+ Ionen an verschiedenen leichten Ionensorten wie zB Be+, aber auch an schweren Ionen wie zB Th+ gezeigt. Zusätzlich wurden spezielle Paul Fallen entwickelt, die besonders geeignet sind für den Einfang und die Kühlung von solchen beliebigen von außen eingeschossenen Ionen ebenso wie die dazu nötigen Messprotokolle um einzelne sympathetisch gekühlte Ionen zu identifizieren. Weitere Anwendungen bestehen im Bereich der Präzionsmessungen zB an Anti-Wasserstoff Ionen innerhalb der Kollabortation GBAR am CERN, innerhalb der Kolaboration TACTICA für Thorium, innerhalb der Forschungen im Excellenzcluster für Quantum computing und communication, und bei den Forschungen für einen zukünftigen Quantencomputer.

Publications

• “Preparing single ultra-cold antihydrogen atoms for free-fall in GBAR“, Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 30, 1460269 (2014)
  L. Hilico, J.-Ph. Karr, A. Douillet, P. Indelicato, S. Wolf, F. Schmidt Kaler
  
• “The Gbar project, or how does antimatter fall?” Hyperfine Interact. 228, 141 (2014)
  P. Indelicato, G. Chardin, P. Grandemange, D. Lunney, V. Manea, A. Badertscher, P. Crivelli, A. Curioni, A. Marchionni, B. Rossi, A. Rubbia, V. Nesvizhevsky, D. Brook-Roberge, P. Comini, P. Debu, P. Dupré, L. Liszkay, B. Mansoulié, P. Pérez, J. -M. Rey, B. Reymond, N. Ruiz, Y. Sacquin, B. Vallage, F. Biraben, P. Cladé, A. Douillet, G. Dufour, S. Guellati, L. Hilico, A. Lambrecht, R. Guérout, J. -P. Karr, F. Nez, S. Reynaud, C. I. Szabo, V. -Q. Tran, J. Trapateau, A. Mohri, Y. Yamazaki, M. Charlton, S. Eriksson, N. Madsen, D. P. van der Werf, N. Kuroda, H. Torii, Y. Nagashima, F. Schmidt-Kaler, J. Walz, S. Wolf, P. -A. Hervieux, G. Manfredi, A. Voronin, P. Froelich, S. Wronka, M. Staszczakhide (GBAR collaboration)
  
• “The GBAR antimatter gravity experiment”, Hyperfine Interact. 233, 21 (2015)
  P. Pérez et al. (GBAR collaboration)
  
• "Towards a test of the weak equivalence principle of gravity using anti-hydrogen at CERN," 2016 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016), 2016, pp. 1-2
  D. Banerjee et al. (GBAR collaboration)
  
• “Visibility of Young's interference fringes: Scattered light from small ion crystals”, Phys. Rev. Lett. 116, 183002 (2016)
  Sebastian Wolf, Julian Wechs, Joachim von Zanthier, Ferdinand Schmidt-Kaler
  
• "Efficient and robust photo-ionization loading of beryllium ions", Appl. Phys. B 124, 30 (2018)
  S. Wolf, D. Studer, K.Wendt, F. Schmidt-Kaler