Experiments with dipole-allowed transitions in trapped ions

122 Pages·2012·3.45 MB·English

by  Valentin Batteiger

Experiments with dipole-allowed
transitions in trapped ions
Valentin Batteiger
Mu¨nchen 2011

Experiments with dipole-allowed
transitions in trapped ions
Valentin Batteiger
Dissertation
an der Fakult¨at der Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Mu¨nchen
vorgelegt von
Valentin Batteiger
aus Miltenberg am Main
Mu¨nchen, den 24. 06. 2011
Erstgutachter: Prof. Dr. Theodor W. H¨ansch
Zweitgutachter: Prof. Dr. Dietrich Habs
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 25. Juli 2011
Kurzfassung
Magnesium findet sich unter den h¨aufigsten Elementen im interstellaren Medium
und liegt dort u¨berwiegend in einfach geladener Form vor. Die dominierenden 3s-
3p Linien werden entsprechend h¨aufig in astrophysikalischen Spektren beobachtet
und spielen bei der Untersuchung des Wertes der Feinstrukturkonstante im fru¨hen
Universum eine pr¨agende Rolle. Die vorgelegte Dissertation beschreibt die Spek-
troskopiedieserLinienineinerIonenfalle. Absolutfrequenzkalibrierung, diest¨orungs-
arme Umgebung der Ionenfalle und eine neuartige Spektroskopiemethode erm¨og-
lichen eine pr¨azise Messung. Die U¨bergangsfrequenzen beider Feinstrukturkom-
ponenten in 24Mg+ und 26Mg+ wurden bestimmt, daraus ergeben sich die Isotopie-
verschiebung und die Feinstrukturaufspaltung. Diese Messwerte verkleinern die Un-
sicherheit vorangehende Literaturwerte um mehr als zwei Gr¨oßenordnungen, die Iso-
topieverschiebung des 3s -3p U¨bergangs und die Isotopieverschiebung der Fein-
1/2 1/2
strukturaufspaltung konnten erstmals bestimmt werden. Weiterhin werden U¨ber-
gangsfrequenzen in 25Mg+ und die Schwerpunktsfrequenz bei natu¨rlicher Isotopen-
zusammensetzung abgeleitet. Somit ergibt sich ein detailliertes Bild des gesamten
Feinstrukturdubletts, das mittlerweile als Referenzwert in spektroskopischen, astro-
physikalischen und kernphysikalischen Messungen genutzt wird.
Im Zuge der spektroskopischen Messungen wurden unter dem Einfluß eines blau-
verstimmten Lasers unerwartete Schwingungen einzelner Ionen beobachtet. Eine
Untersuchung ergab Parallelen zwischen diesem mechanischen Schwinger und La-
seroszillatoren, außerdem konnte Phasensynchronisation mit einem ¨außerst kleinen
periodischen Signal nachgewiesen werden.
Schließlich werden weitere Experimente mit Dopplergeku¨hlten Ionen vorgeschla-
gen, unter anderem eine Zweifrequenz-Ionenfalle die komplexe, molekulare Ionen
und leichte, laserku¨hlbare Ionen gemeinsam speichern k¨onnte.

Abstract
Magnesium is among the most abundant elements in the interstellar medium and
singly charged magnesium is the predominant form there. The strong 3s-3p fine-
structure doublet is therefore a prominent feature in many astrophysical spectra
and has substantial influence on studies of the value of the fine-structure constant
in the early universe. This dissertation reports on precision spectroscopy of these
lines. Absolutefrequency determinationina quiet iontrapenvironment, andanovel
spectroscopy method enabled an accurate measurement. The absolute frequencies
of both fine-structure components in 24Mg+ and 26Mg+ were determined, isotope
shifts and fine-structure splittings are deduced. The measured data improve previ-
ous literature values by more than two orders of magnitude. The isotope shift of
the 3s -3p transition and the isotope shift of the fine-structure splitting were
1/2 1/2
determined for the first time. 25Mg+ transition frequencies and the center-of-gravity
frequency for a composite line of natural isotopic abundance are evaluated. Hereby
we provide detailed data for the whole spectroscopic feature, which is useful as
reference for spectroscopic, astrophysical and nuclear physics measurements.
During our spectroscopic work we observed intriguing ion oscillations driven by
blue-detuned laser light. An investigation of single-ion oscillations revealed an anal-
ogy of our mechanical ion oscillator with optical lasers, a phonon laser. Later we
demonstrated phase synchronization ofthe ionoscillator to anexternal signal, which
may be used for the detection of ultra-weak oscillatory forces.
Finally we propose future experiments on Doppler cooled, trapped ions. This
includes a dual frequency trap which may store heavy ion species together with
light atomic ions with convenient cooling transition.
Contents
1. Introduction 1
2. Basic ion trapping and interactions with laser light 5
2.1. A single charged particle in a linear RF trap . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1. Radial confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2. Axial confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2. Atomic physics background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1. The spectrum of Mg+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2. Dipole transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3. Laser cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3. Laser-cooled ions in the trap potential . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1. Motion of a laser-cooled ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2. Crystallized ion chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Experimental setup 19
3.1. Laser systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1. Fiber laser system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2. Second harmonic generation cavities I . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.3. Dye laser systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.4. Second harmonic generation cavities II . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.5. Frequency shifters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.6. Laser stabilization and absolute frequency calibration . . . . . 25
3.2. Ion trap apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1. Six-rod trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.2. Linear endcap trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3. Four-rod trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.4. Resonant RF circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.5. Vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3. Ion creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1. Atom oven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.2. Photo-ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3. Isotope-selective trap loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4. Imaging system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.1. Imaging optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Contents ix
3.4.2. Single-photon camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.3. Camera readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4. Spectroscopy of the 3s-3p fine-structure doublet in Mg+ 39
4.1. Astrophysical motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2. Spectroscopy method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3. Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4. Measurement uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5. Comparison with theoretical isotope shift predictions . . . . . . . . . 55
4.6. 25Mg+ transition frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.7. Comparison to literature and impact of our measurements . . . . . . 59
4.8. Impact on many-multiplet analyses of quasar absorption spectra . . . 62
4.9. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.10.Outlook: Lifetime measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5. A single trapped-ion oscillator 69
5.1. From chain spectroscopy to single oscillating ions . . . . . . . . . . . 69
5.2. A trapped-ion phonon laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3. Injection locking and force detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6. Further prospects 77
6.1. A cooling laser system for beryllium ions . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2. A dual frequency trap for ions with large mass difference . . . . . . . 85
6.3. Spectroscopy of dipole-allowed transitions at XUV wavelength . . . . 89
A. Appendix: A pulsed dye laser for photo-ionization of Mg atoms 93
Bibliography 99