Studying an unbalanced two-ion crystal in a Penning trap: towards the quantum regime in a high magnetic field

Abstract

This Thesis has been devoted to study a new technique based on two simultaneously trapped ions with prospects for high-accuracy Penning-trap mass spectrometry. One of the two ions (called sensor) can be laser cooled, either to the Doppler limit or to the ground state. The other ion (called target), although not directly interacting with any laser, is sympathetically cooled to the same temperature by the Coulomb interaction. In this scenario, a crystal is formed. Information about the oscillations of the crystal is read out through photons scattered by the sensor ion. The unbalanced two-ion crystal has been theoretically studied for the rst time in a Penning trap in the course of this Thesis. A detailed study and analysis of the motional frequencies of the crystal has been carried out. The implications of the anharmonicities introduced by the Coulomb interaction in the frequency measurement process, quantifying shifts in the classical and in the quantum regime, have been studied. Part of these results have been published in Physical Review A and the software package built for this is available to the ion-trapping community. The experimental component of this thesis has two parts: i) the implementation of a new control and data acquisition system based on ARTIQ (Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics), and ii) the study, modi cations and improvements around the open-ring Penning trap, where the crystal is formed. The work with ARTIQ has integrated the devices needed for ion trapping, dipolar/quadrupolar driving and image collection. The work on the open-ring Penning trap started by implementing a custom Laplace-solver program to stablish a tuning procedure that minimizes anharmonic terms. After that, technical issues related to ion production and lasers were overcome. The results, including the rst evidence of laser cooling of 40Ca+ under 7 Tesla, have been published in New Journal of Physics. The Thesis ends by showing our rst two-ion crystal, an unique experimental platform for the envisaged studies.

Esta Tesis doctoral ha estado dedicada al estudio de una nueva técnica basada en dos iones atrapados de forma simultánea, de cara a la realización de espectrometría de masas de alta precisión con trampas Penning. Uno de los iones (sensor) puede enfriarse mediante láseres hasta el límite Doppler, o incluso hasta su estado fundamental. El otro ion (de interés) es enfriado al mismo nivel gracias a la interacción de Coulomb. En este escenario se forma un cristal. La información sobre las oscilaciones del cristal se obtiene a través de los fotones dispersados por el ion sensor. En esta Tesis se ha estudiado el cristal asimétrico de dos iones en una trampa Penning, con especial atención a los modos de movimiento del mismo, así como a los corrimientos en frecuencia que surgen debido a la no-armonicidad de la interacción de Coulomb. Parte de estos resultados se han publicado en la revista Physical Review A, y el paquete informático construido para este estudio está disponible para todos los grupos que trabajan con iones atrapados. La parte experimental de la Tesis tiene dos componentes importantes: i) la implementación de un nuevo sistema de control y adquisición de datos basado en ARTIQ (Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics) y ii) el estudio y mejoras en torno a la trampa de anillos abierta, donde se forma dicho cristal. En el trabajo llevado a cabo con ARTIQ se han integrado los dispositivos necesarios para atrapar, aplicar campos dipolares o cuadrupolares y registrar la imagen del ion sensor. El trabajo sobre la trampa Penning comenzó instaurando un protocolo de sintonización, basado en un programa de resolución de potenciales electrostáticos propio, para establecer un procedimiento de sintonización que minimice términos no armónicos. También se ha trabajado en mejoras técnicas como la producción de iones y en el sistema de láseres. Los resultados, incluyendo enfriamiento láser de 40Ca+ en 7 Tesla, se publicaron en la revista New Journal of Physics. La Tesis termina presentando un cristal de dos iones, que constituye una plataforma única para llevar a cabo los estudios aquí propuestos.