Systematische Untersuchung von Instabilitäten an lasergekühlten 40 Ca + - Ionen in einer linearen Paulfalle

In linearen Paulfallen gespeicherte und lasergekühlte Ionen stellen in weiten Bereichen der Physik ideale Objekte hinsichtlich störungsfreier und präziser Messungen atomarer Übergangsfrequenzen und der gezielten Manipulation von Quantenzuständen dar. Eine Einschränkung dieser optimalen Bedingungen erfolgt durch Heizmechanismen, die aus Abweichungen des Speicherpotentials von der idealen Quadrupolform resultieren. Höhere Potentialordnungen führen zu einer Kopplung der radialen Bewegungsmoden und bei bestimmten Speicherparametern zu nichtlinearen Resonanzen. Hierbei werden die Ionenbahnen durch eine Energieaufnahme aus dem Speicherfeld destabilisiert. Dieses kann zu Linienverbreiterungen, einer Limitierung der Kohärenzzeiten und unter Umständen zu einem Ionenverlust führen. Die systematische Untersuchung dieser Instabilitäten in einer linearen Paulfalle erfolgt durch Spektroskopie an einer kleinen Anzahl lasergekühlter ^40Ca^+ - Ionen. Der experimentell zugängliche Speicherbereich wird mit hoher Auflösung abgetastet. Durch eine eingehende Quantifizierung der Falleneigenschaften werden die nichtlinearen Resonanzen eindeutig den erzeugenden Potentialtermen zugeordnet. Die Resonanzlinien zeigen eine charakteristische Aufspaltung, deren Größe vom angelegten Axialpotential bestimmt wird. Diese zusätzliche Kopplung der Radialbewegung an die Axialbewegung führt zu einer modifizierten Resonanzbedingung. Nichtlineare Resonanzen treten massenspezifisch auf. Da eine präzise Kontrolle der Axialpotentiale sehr einfach ist, könnten die beobachteten radial-axial koppelnden Resonanzen eine Anwendung in der Massenspektrometrie finden.

Ions stored and laser cooled in linear Paul traps represent ideal objects within various fields of physics, regarding precision measurements of atomic transition frequencies and the controlled manipulation of quantum states. A restriction of these optimal conditions evolves from heating mechanisms, caused by deviations of the storage potential from the ideal quadrupole form. Higher potential orders lead to a coupling of the radial motions and, at certain storage parameters, to nonlinear resonances; the ion trajectories are destabilized by energy absorption from the storage field. This leads to line broadenings, limitation of coherence times and ion losses. The systematic investigation of these instabilities in a linear Paul trap is carried out by spectroscopy on small numbers of laser cooled ^40Ca^+ ions. The experimentally accessible stability diagram is scanned with high resolution and the nonlinear resonances are clearly assigned to the corresponding potential terms. The resonance lines show a characteristic splitting, whose size is determined by the applied axial potential. This additional coupling of the radial to the axial motion leads to a modified resonance condition. Nonlinear resonances are mass specific. Since precise control of the axial potentials is very simple, the observed radial to axial coupling resonances could apply in mass spectrometry.