High-precision force sensing using a single trapped ion

We introduce quantum sensing schemes for measuring very weak forces with a single trapped ion. They use the spin-motional coupling induced by the laser-ion interaction to transfer the relevant force information to the spin-degree of freedom. Therefore, the force estimation is carried out simply by observing the Ramsey-type oscillations of the ion spin states. Three quantum probes are considered, which are represented by systems obeying the Jaynes-Cummings, quantum Rabi (in 1D) and Jahn-Teller (in 2D) models. By using dynamical decoupling schemes in the Jaynes-Cummings and Jahn-Teller models, our force sensing protocols can be made robust to the spin dephasing caused by the thermal and magnetic field fluctuations. In the quantum-Rabi probe, the residual spin-phonon coupling vanishes, which makes this sensing protocol naturally robust to thermally-induced spin dephasing. We show that the proposed techniques can be used to sense the axial and transverse components of the force with a sensitivity beyond the yN/\wurzel{Hz}range, i.e. in the xN/\wurzel{Hz}(xennonewton, 10^−27). The Jahn-Teller protocol, in particular, can be used to implement a two-channel vector spectrum analyzer for measuring ultra-low voltages.

Settlement history of a mountain oasis in Northern Oman

To unravel the settlement history of oases in northern Oman, data on topography, the agricultural setting, water and soil parameters and archaeological findings were collected in the Wadi Bani Awf with its head oasis Balad Seet. Data collection lasted from April 2000 to April 2003 and was based on the establishment of a 3D-georeferenced map of the oasis comprising all its major infrastructural and agronomic features. At today's Balad Seet, a total of 8.8 ha are planted to 2,800 date palms and 4.6 ha are divided into 385 small fields dedicated to wheat, barley, sorghum, oats, alfalfa, garlic, onion, lime and banana. Radiocarbon dating of charcoal in the lower part of the main terrace system determined its age to 911 ± 43 years. Monthly flow measurements of four major aflaj systems showed a total maximum flow of 32 m^3 h^-1 with the largest falaj contributing 78% of the total flow. During drought periods, average water flow decreased by 3% per month, however, with significant differences between the spring systems. The analysis of the tritium/^3helium ratio in the water led to an estimated water age of up to 10 years. In combination with the flow data, this provided insights into the elasticity of the spring flow over time. The use of the natural resources of the Wadi Bani Awf by a pastoral population started probably in the early 3rd millennium BC. The first permanent settlement might have been established at Balad Seet during the first part of the 1st millennium BC. Presumably it was initiated by settlers from al-Hamra, a village at the southern foot of the Hajar mountains. Given an abundant und stable flow of springs, even in periods of drought, the construction of Balad Seet's first irrigation systems may have occurred at this early time. The combination of topographic, agricultural, hydro-pedological and archaeological data allowed assessment of the carrying capacity of this oasis over the three millennia of its likely existence. The changing scarcity of land and water and the eventual optimisation of their use by different aflaj constructions have been major driving forces for the development and apparent relativeley stable existence of this oasis.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.