Optical mass identification and electric-field sensing in a linear paul trap with a laser-cooled ion: from the doppler to the quantum regime

Abstract

This thesis reports on the development of laser-based methods for non-destructive and ultra-sensitive identification measurements with a system of two different ions confined in a Paul trap. In this work, the commissioning of a linear Paul trap setup and the associated infrastructure, as well as the first experimental results are presented. The former task has involved the installation and characterization of multiple laser systems for production, Doppler cooling, optical pumping, state manipulation and ground-state cooling of calcium ions. In addition, a frequency comb setup has been commissioned for the precise determination of optical frequencies and the stabilization in frequency of a titanium-sapphire laser. Experiments applying a novel method to two-ion Coulomb crystals cooled down to the Doppler limit have been performed in order to evaluate the performance of the optical identification method. Each crystal comprises a laser-cooled 40Ca+ ion and another calcium isotope ACa+ (A = 40, 42, 44, 48). The alternating measurements of the axial frequency of a single 40Ca+ ion and the common-mode axial frequency of a 40Ca+ - ACa+ crystal have yielded the first frequency-ratio determinations in the setup. The frequency-ratio determinations have also been performed with groundstate cooled 40Ca+ and 40Ca+ - 40Ca+ and using the clock transition for diagnostics in order to improve the accuracy of the method. In parallel, the 40Ca+ ion has been characterized as a sensor of electric forces in both the Doppler limit (∼ 10 phonons) and the ground state of motion (∼ 0.2 phonons), showing an increase of the force sensitivity for the latter case. v

Esta tesis trata sobre el desarrollo de métodos basados en láser para medidas de identificación no destructivas y ultrasensibles con un sistema de dos iones distintos confinados en una trampa Paul. En este trabajo se presentan la puesta en marcha de un montaje experimental con una trampa Paul lineal y la infraestructura asociada así como los primeros resultados experimentales. Esto ha implicado la instalación y caracterización de varios sistemas láser para la producción, enfriamiento Doppler, bombeo óptico, manipulación de estados y enfriamiento al estado cero de iones de calcio. Además, se ha llevado a cabo la puesta a punto de un peine de frecuencias para la determinación precisa de frecuencias ópticas y la estabilización en frecuencia de un láser de titanio-zafiro. Se han realizado experimentos con cristales de Coulomb de dos iones enfriados hasta el límite Doppler para evaluar el funcionamiento del método de identificación óptica. Cada cristal contiene un ion 40Ca+ enfriado por láser y un isótopo de calcio ACa+ (A = 40, 42, 44, 48). Las medidas alternas de la frecuencia axial de un ion 40Ca+ y la frecuencia del modo común axial de un cristal 40Ca+ - ACa+ han dado lugar a las primeras determinaciones de cocientes de frecuencias en el experimento. Las determinaciones se han realizado también con el ion 40Ca+ y el cristal 40Ca+ - 40Ca+ enfriado al estado cero utilizando la transición de reloj como diagnóstico con el fin de mejorar la precisión del método. Paralelamente, se ha caracterizado el ion 40Ca+ como sensor de fuerzas eléctricas tanto en el límite Doppler (∼ 10 fonones) como en el estado cero de energía (∼ 0, 2 fonones), mostrando un aumento de la sensibilidad de la fuerza para este ´ultimo caso.