Trapped Ion Oscillation Frequencies as Sensors for Spectroscopy

The oscillation frequencies of charged particles in a Penning trap can serve as sensors for spectroscopy when additional field components are introduced to the magnetic and electric fields used for confinement. The presence of so-called “magnetic bottles” and specific electric anharmonicities creates calculable energy-dependences of the oscillation frequencies in the radiofrequency domain which may be used to detect the absorption or emission of photons both in the microwave and optical frequency domains. The precise electronic measurement of these oscillation frequencies therefore represents an optical sensor for spectroscopy. We discuss possible applications for precision laser and microwave spectroscopy and their role in the determination of magnetic moments and excited state life-times. Also, the trap-assisted measurement of radiative nuclear de-excitations in the X-ray domain is discussed. This way, the different applications range over more than 12 orders of magnitude in the detectable photon energies, from below μeV in the microwave domain to beyond MeV in the X-ray domain

A trapped-ion local field probe

We introduce a measurement scheme that utilizes a single ion as a local field probe. The ion is confined in a segmented Paul trap and shuttled around to reach different probing sites. By the use of a single atom probe, it becomes possible characterizing fields with spatial resolution of a few nm within an extensive region of millimeters. We demonstrate the scheme by accurately investigating the electric fields providing the confinement for the ion. For this we present all theoretical and practical methods necessary to generate these potentials. We find sub-percent agreement between measured and calculated electric field values

Quantum sensing

"Quantum sensing" describes the use of a quantum system, quantum properties or quantum phenomena to perform a measurement of a physical quantity. Historical examples of quantum sensors include magnetometers based on superconducting quantum interference devices and atomic vapors, or atomic clocks. More recently, quantum sensing has become a distinct and rapidly growing branch of research within the area of quantum science and technology, with the most common platforms being spin qubits, trapped ions and flux qubits. The field is expected to provide new opportunities - especially with regard to high sensitivity and precision - in applied physics and other areas of science. In this review, we provide an introduction to the basic principles, methods and concepts of quantum sensing from the viewpoint of the interested experimentalist.Comment: 45 pages, 13 figures. Submitted to Rev. Mod. Phy

Setup and operation of a multi-ion clock based on linear In+/Yb+ crystals

Die aktuell genausten optischen Atomuhren basieren auf gefangenen und lasergekühlten Atomen oder Ionen. Dabei wird ein schmalbandiger Laser auf einen geeigneten elektronischen Übergang im Atom oder Ion stabilisiert und so Frequenzmessungen mit relativen systematischen Unsicherheiten bis ~10^-18 realisiert. Während Neutralatomuhren viele tausend Atome gleichzeitig nutzen und somit ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis haben, basiert die Mehrzahl der heutigen Ionenuhren auf der Verwendung eines einzelnen Ions, das manchmal mit einem oder zwei weiteren Ionen einer anderen Spezies sympathetisch gekühlt wird. Die exzellente Kontrolle über die Umgebungsbedingungen und die äußeren Einflüsse auf die Energieniveauses des einzelnen Uhrenions sind eine große Stärke dieses Ansatzes. Die lange Mittelungszeit von einigen Wochen um eine systematische Unsicherheit von 10^-18 statistisch aufzulösen ist jedoch ein großer Nachteil, insbesondere für Anwendungen außerhalb des Labors. Aus diesem Grund wird im Forschungsfeld der optischen Ionenuhren aktuell mit verschiedenen Ansätzen an einer Verbesserung der Instabilität geforscht. Die Motivation dieser Arbeit ist, durch die Verwendung von Ionenketten mit mehreren Uhren-Ionen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und gleichzeitig die exzellente Kontrolle auch für ein Vielteilchensystem zu bewahren. Die Ionenketten bestehen aus 115In+ Uhren-Ionen, die sympathetisch mit 172Yb+ Ionen gekühlt werden. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines experimentellen Aufbaus, der geringe systematische Unsicherheiten und eine simultane nach Ionen aufgelöste Zustandsdetektion beider Spezies ermöglicht, sowie der Betrieb einer Multi-Ionen-Uhr. Das umfasst die Charakterisierung der mit der Ionenfalle verbundenen sytematischen Unsicherheiten und die Optimierung des sympathetischen Kühlens. Das vorgestellte Indiumionenuhr befindet sich am deutschen nationalen Metrologieinstitut,Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in Braunschweig. Im April 2022 war die Indiumionenuhr an einer internationalen Messkampagne zu Frequenzvergleichen von optischen Uhren (European Metrology project 18SIB05 ROCIT1) beteiligt. Nach Abschluss der noch andauernden Auswertung werden daraus zahlreiche bisher unbekannte Frequenzverhältnisse resultieren. Mit der Inbetriebnahme ist die Indiumionenuhr als drittes optisches Frequenznormal mit einer systematischen Unsicherheit im niedrigen 10^-18-Bereich an der PTB ein wichtiger Bestandteil der Forschungsinfrastruktur für optische Uhren an der PTB und im internationalen Netzwerk der nächsten Jahre

Coherent manipulation of cold Rydberg atoms near the surface of an atom chip

Coherent superpositions of the 49s and 48s Rydberg states of cold Rb atoms were studied near the surface of an atom chip. The superpositions were created and manipulated using microwaves resonant with the two-photon 49s-48s transition. Coherent behavior was observed using Rabi flopping, Ramsey sequences, spin-echo and spin-locking. These results are discussed in the context of Rydberg atoms as electric field noise sensors. We consider the coherence of systems quadratically coupled to noise fields with 1/f^k power spectral densities (k \approx 1).Comment: 11 pages, 7 figure

Plasmonic Metamaterials: Physical Background and Some Technological Applications

New technological frontiers appear every year, and few are as intriguing as the field of plasmonic metamaterials (PMMs). These uniquely designed materials use coherent electron oscillations to accomplish an astonishing array of tasks, and they present diverse opportunities in many scientific fields. This paper consists of an explanation of the scientific background of PMMs and some technological applications of these fascinating materials. The physics section addresses the foundational concepts necessary to understand the operation of PMMs, while the technology section addresses various applications, like precise biological and chemical sensors, cloaking devices for several frequency ranges, nanoscale photovoltaics, experimental optical computing components, and superlenses that can surpass the diffraction limit of conventional optics