Untersuchungen an gespeicherten 40 Ca +-Ionen in einer linearen Paulfalle

Abstract

In Experimenten an lasergekühlten, in einer linearen Paulfalle gespeicherten $Ca^+$-Ionen wurde dieLebensdauer des metastabilen $3D_{5/2}$-Niveaus durch Beobachtung von Quantensprüngen einzelner Ionen zu 1100(18)msbestimmt. Systematische Fehler durch quenchende Stöße oder Stark-Mischen durch das Speicherfeld liegen unterhalb dererreichten Genauigkeit. Abweichungen von früheren Messungen konnten durch eine vernachlässigte Abhängigkeit derLebensdauer von der Laserleistung des Rückpumplasers erklärt werden. Das Endergebnis zeigt gute Übereinstimmung mitneueren theoretischen Werten. In weiteren Messungen an zehn Ionen wurde in einigen Messreihen eine deutliche Reduktionder Lebensdauer gegenüber einem einzelnen Ion festgestellt. Dabei wurden mehr koinzidente Zerfälle von zwei und dreiIonen beobachtet als für unabhängige Teilchen zu erwarten. In einem Ionenkristall wurde eine räumliche Trennung atomarer Zustände erreicht. Dabei wurde ein Teil der Ionen einesKristalls aus einigen hundert Ionen in den metastabilen Zustand gepumpt, der von den Kühllasern vollständig entkoppeltist. Durch sympathetische Kühlung werden diese Ionen weiterhin gekühlt und der Kristall schmilzt nicht. Durch denLichtdruck, den die Kühllaser ausgeüben, werden die Ionen nach atomaren Zuständen sortiert, weil die lasergekühltenIonen einen Rückstoß erfahren, die übrigen aber nicht. Für zukünftige Experimente wurden Verbesserungen des experimentellen Aufbaus auf den Weg gebracht. So wurden Methodenund Komponenten für eine verbesserte Frequenzstabilisierung der Diodenlaser entwickelt.

In experiments on laser cooled $Ca^+$ ions in a linear Paul trap the lifetime of the metastable$3D_{5/2}$ level was determined to 1100(18)ms by observing quantum jumps of single ions. The error is purelystatistical. Systematic errors like quenching collisions or Stark mixing by the trapping field are below thestatistical error. The deviation from earlier results was explained by a dependence of the lifetime on the repumpinglaser power. The final result is in agreement with recent theoretical values. In further measurements on ten ions asubstantial reduction of the lifetime compared to single ions occurred in certain runs. Then more coincident decays oftwo and three ions than for independent particles happened. A spatial separation of atomic states in an ion crystal was obtained. Some ions in a crystal of thousand ions werepumped into the metastable state which is decoupled from the cooling lasers. The crystal does not melt because theseions are sympathetically cooled. The light pressure of the cooling lasers separates the ions depending on their atomicstate because of the recoil momentum in laser cooling. Improvements of the experimental setup for future experiments were started. Methods and components for a betterfrequency stabilization of the lasers were developed.