Apparatur für kryogene Penningfallen
Final Report Abstract
Dieses Gerät wird eingesetzt für Experimente mit lasergekühlten Ionen und einzelnen Protonen in kryogenen Penning-Ionenfallen. Ziel des Aufbaus ist es, geladene Teilchen im Prinzip beliebiger Masse in allen ihren quantisierten Bewegungsfreiheitsgraden auf dem Niveau einzelner Quanten zu kontrollieren, indem diese in kontrollierter Weise mit einem lasergekühlten Ion zur Wechselwirkung gebracht werden. Dieses Ziel ist von großer praktischer Relevanz für Massenmessungen in Penningfallen, da sich hiermit sowohl die Präparationszeiten für kalte Teilchen als auch die Unsicherheiten der Lokalisierung der Teilchen drastisch reduzieren lassen. Zentraler Bestandteil der Apparatur sind der supraleitende Magnet wie hier beantragt und das Kühlsystem zum Erreichen der Betriebstemperatur von ca. 4 K der eigentlichen Falle. Der supraleitende Magnet stellt hierbei das Magnetfeld zur Verfügung, welches die Teilchen in der Penning- Ionenfalle in radialer Richtung einschließt. Im Zusammenhang mit der Inbetriebnahme entstanden zunächst Schwierigkeiten mit der Standzeit des supraleitenden Magneten durch eine Undichtigkeit am Heliumgefäß, die aber nach einigen Iterationen umschifft werden konnten. Als unmittelbare Anwendung verfolgt das Projekt Methoden zur sympathetischen Kühlung von Protonen und Antiprotonen durch 9Be+ Ionen im Rahmen der BASE Kollaboration. Hierzu wurde seit Inbetriebnahme der hier beantragten Anlage eine kryogene Penningfallenapparatur aufgebaut. Diese besteht aus kaskadierten Kaltstufen bei zwei verschiedenen Temperaturen, optischen Komponenten zur Führung von Laserstrahlen zur Kontrolle der 9Be+ Ionen in die Apparatur sowie Quellen für Protonen und supraleitende Resonatoren zur Detektion und Vorkühlung einzelner Protonen. Eine große Herausforderung war dabei, dass der enge zur Verfügung stehende Raum innerhalb der Kaltstufen es nicht zulässt, geeignete Aktuatoren zur ferngesteuerten Justage optischer Elemente innerhalb des Vakuumsystems anzubringen. Das gesamte System muss somit vor Einbringung und Abkühlung auf 4 K bei Raumtemperatur vorjustiert werden; nach Einbringung besteht die einzige Justagemöglichkeit durch die letzte Linse vor dem Vakuumsystem – 1,5 m, 300 K und 4 Spiegel auf verschiedenen Kaltstufen vom Ort des Ions entfernt. Beim ersten Abkühlen der Apparatur konnte gezeigt werden, dass die anfängliche Justage dieses komplexen optischen Aufbaus beim Abkühlen auf 4 K erhalten bleibt. Ein erster Versuch, 9Be+ Ionen in die Apparatur zu laden, schlug zunächst fehl. Es stellte sich heraus, dass die Glasfaser, die das benötigte Licht des Pulslasers zur Überführung von Beryllium-Atomen in die Gasphase (Ablation) nicht führen konnte ohne Schaden zu nehmen. Es wurde deshalb wie auch bei den Kühl-Laserstrahlen für 9Be+ eine Strahlführung per Freistrahl entwickelt. In einem zweiten Versuch ist es damit im Oktober 2018 gelungen, zunächst Wolken von Beryllium-Ionen in die Falle zu laden, diese per Dopplerkühlung zu kühlen sowie schließlich Axialisierung zur Kontrolle der metastabilen Magnetron-Bewegung zu implementieren und die Teilchenzahl bis hin zu einzelnen Teilchen zu reduzieren. Aktuell verfolgen wir das Ziel, 9Be+ Ionen in einem Doppelmuldenpotential zur kontrollierten Wechselwirkung zu bringen, und dieses Verfahren dann in einem weiteren Schritt auf die Kopplung von Protonen an 9Be+ Ionen zu erweitern. Im Berichtszentrum sind an dem Projekt zwei Bachelorarbeiten, zwei Masterarbeiten, und die experimentellen Arbeiten zu zwei Promotionen abgeschlossen worden. Eine Masterarbeit und zwei Promotionsprojekte werden aktuell bearbeitet.
Publications
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Smorra, C., K. Blaum, L. Bojtar, M. Borchert, K.A. Franke, T. Higuchi, N. Leefer, u. a.
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“Towards Quantum Logic Inspired Cooling and Detection for Single (Anti-)Protons“, Proceedings of the 12th International Conference on Low Energy Antiproton Physics (LEAP2016). Kanazawa, Japan: Journal of the Physical Society of Japan (2017)
Meiners, Teresa, Malte Niemann, Anna-Greta Paschke, Johannes Mielke, Alexander Idel, Matthias Borchert, Kai Voges, Amado Bautista- Salvador, Stefan Ulmer, und Christian Ospelkaus
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„Towards Sympathetic Laser Cooling and Detection of Single (Anti-)Protons“. CPT and Lorentz Symmetry, Indiana University, Bloomington, USA Pg 85-88, World Scientific, Singapore
Meiners, T., M. Niemann, A.-G. Paschke, M. Borchert, A. Idel, J. Mielke, K. Voges, u. a.
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„Versatile Control of 9Be+ Ions Using a Spectrally Tailored UV Frequency Comb“. Physical Review Letters Vol. 122: 123606 (2019)
Lang, C. Manzoni, M. Marangoni, G. Cerullo, U. Morgner, und C. Ospelkaus
