Motional frequency spectroscopy in a Penning trap via a single laser-cooled ion

Abstract

This thesis reports on the use of laser cooling and manipulation techniques for the determination of the motional frequencies in a Penning trap. The optical detection of the motional state of the system has the advantages of being universal, demanding only one ion of interest, and being robust against imperfections of the trapping fields. In this work, the first experimental results, as well as several technical improvements are presented: a novel optical system, a customized cryogenic pump, and two ion sources. 40Ca+ has been characterized as a radiofrequency detector at the Doppler limit, developing a laser-pulsed measurement protocol to read out the ion’s oscillation amplitude from an EMCCD and a PMT. The alternating determination of the cyclotron frequency of two individual calcium isotope ions (40Ca+ vs ACa+ with A = 42, 44, 48) has yielded the first mass ratio measurements of the optical method. Experiments on balanced (40Ca+ - 40Ca+) and unbalanced (42Ca+ - 40Ca+) Coulomb crystals have been used to study the validity of the generalized invariance theorem. These measurements constitute the first implementation of the method on a universal platform. To bring the accuracy of the technique to a competitive level, it will be necessary to cool the crystal down to its ground state of motion.

Esta tesis doctoral trata sobre el uso técnicas de enfriamiento y manipulación láser para la determinación de las frecuencias de movimiento en una trampa Penning. La detección óptica del estado de movimiento del sistema tiene las ventajas de ser universal, necesitar de un solo ion de interés, y ser altamente robusta frente a imperfecciones en los campos de atrapamiento. En este trabajo se presentan los primeros resultados experimentales al respecto, así como diversas mejoras técnicas llevadas a cabo: un nuevo sistema óptico de diseño propio, una bomba criogénica a medida y dos fuentes de iones. El ion 40Ca+ ha sido caracterizado como detector de radiofrecuencia en el límite Doppler, desarrollando un protocolo de medida en el que se pulsa el enfriamiento láser para leer la amplitud de oscilación del ion a partir de una cámara EMCCD y un PMT. La determinación alterna de la frecuencia de ciclotrón de dos iones individuales de isótopos de calcio (40Ca+ vs ACa+ con A = 42, 44, 48) ha arrojado las primeras medidas de cocientes de masas usando el método óptico. Por su parte, los experimentos con cristales de Coulomb de dos iones de la misma especie (40Ca+ - 40Ca+) y de especies diferentes (42Ca+ - 40Ca+) se han utilizado para estudiar la validez del teorema de invariancia generalizado. Esta últimas medidas constituyen la primera implementación del método en una plataforma universal. Se concluye necesario enfriar el cristal hasta el estado fundamental de movimiento para elevar la precisión de la técnica a un nivel competitivo.