Detection of individual spin transitions of a single proton confined in a cryogenic Penning trap

Das in dieser Arbeit vorgestellte Experiment zur Messung des magnetischen Moments des Protons basiert auf der Messung des Verhältnisses von Zyklotronfrequenz und Larmorfrequenz eines einzelnen, in einer kryogenen Doppel-Penning Falle gespeicherten Protons. In dieser Arbeit konnten erstmalig zwei der drei Bewegungsfrequenzen des Protons gleichzeitig im thermischen Gleichgewicht mit entsprechenden hochsensitiven Nachweissystemen nicht-destruktiv detektiert werden, wodurch die Messzeit zur Bestimmung der Zyklotronfrequenz halbiert werden konnte. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmalig einzelne Spin-Übergänge eines einzelnen Protons detektiert, wodurch die Bestimmung der Larmorfrequenz ermöglicht wird. Mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts wird durch eine sogenannte magnetische Flasche das magnetische Moment an die axiale Bewegungsmode des Protons gekoppelt. Eine Änderung des Spinzustands verursacht folglich einen Frequenzsprung der axialen Bewegungsfrequenz, welche nicht-destruktiv gemessen werden kann. Erschwert wird die Detektion des Spinzustands dadurch, dass die axiale Frequenz nicht nur vom Spinmoment, sondern auch vom Bahnmoment abhängt. Die große experimentelle Herausforderung besteht also in der Verhinderung von Energieschwankungen in den radialen Bewegungsmoden, um die Detektierbarkeit von Spin-Übergängen zu gewährleisten. Durch systematische Studien zur Stabilität der axialen Frequenz sowie einer kompletten Überarbeitung des experimentellen Aufbaus, konnte dieses Ziel erreicht werden. Erstmalig kann der Spinzustand eines einzelnen Protons mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden. Somit stellt diese Arbeit einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer hochpräzisen Messung des magnetischen Moments des Protons dar.

Der g-Faktor des Protons

In dieser Arbeit wird die bisher präziseste und erste direkte Hochpräzisionsmessung des g-Faktors eines einzelnen Protons präsentiert. Die Messung beruht auf der nicht-destruktiven Bestimmung der Zyklotronfrequenz und der Larmorfrequenz eines in einer Penning-Falle gespeicherten Protons. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz wird die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion einer externen Spin-Flip-Anregung aufgenommen. Zu diesem Zweck wird der kontinuierliche Stern-Gerlach Effekt verwendet, welcher zu einer Kopplung des Spin-Moments an die axiale Bewegung des Protons führt. Ein Spin-Flip zeigt sich dabei in einem Sprung der axialen Bewegungsfrequenz. Die Schwierigkeit besteht darin, diesen Frequenzsprung auf einem Hintergrund axialer Frequenzfluktuationen zu detektieren. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden neuartige Methoden und Techniken angewandt. Zum einen wurden supraleitende Nachweise mit höchster Empfindlichkeit entwickelt, welche schnelle und damit präzise Frequenzmessungen erlauben. Zum anderen wurde eine auf dem statistischen Bayes Theorem basierende Spin-Flip-Analyse-Methode angewandt. Mit diesen Verbesserungen war es möglich, einzelne Spin-Flips eines einzelnen Protons zu beobachten. Dies wiederum ermöglichte die Anwendung der sogenannten Doppelfallen-Methode, und damit die eingangs erwähnte Messung des g-Faktors mit einer Präzision von 4.3 10^-9.

Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors

In dieser Arbeit wird der Entwurf, der Aufbau, die Inbetriebnahme und die Charakterisierung einer neuartigen Penning-Falle im Rahmen des Experiments zur Bestimmung des g-Faktors des Protons präsentiert. Diese Falle zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen Magnetfeldes durch eine ferromagnetische Ringelektrode im Zentrum der Falle verzerrt werden. Der inhomogene Anteil des resultierenden Magnetfeldes, die sogenannte magnetische Flasche, lässt sich durch den Koeffizient B2 = 297(10) mT/mm2 des Terms zweiter Ordnung der Ortsabhängigkeit des Feldes quantifizieren. Eine solche ungewöhnlich starke Feldinhomogenität ist Grundvoraussetzung für den Nachweis der Spinausrichtung des Protons mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effektes. Dieser Effekt basiert auf der im inhomogenen Magnetfeld entstehenden Kopplung des Spin-Freiheitsgrades des gefangenen Protons an eine seiner Eigenfrequenzen. Ein Spin-Übergang lässt sich so über einen Frequenzsprung detektieren. Dabei ist die nachzuweisende Änderung der Frequenz proportional zu B2 und zum im Fall des Protons extrem kleinen Verhältnis zwischen seinem magnetischen Moment nund seiner Masse. Die durch die benötigte hohe Inhomogenität des Magnetfeldes bedingten technischen Herausforderungen erfordern eine fundierte Kenntnis und Kontrolle der Eigenschaften der Penning-Falle sowie der experimentellen Bedingungen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Penning-Falle ermöglichte den erstmaligen zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gefangenen Protons, was einen Durchbruch für das Experiment zur direkten Bestimmung des g-Faktors mit der angestrebten relativen Genauigkeit von 10−9 darstellte. Mithilfe eines statistischen Verfahrens ließen sich die Larmor- und die Zyklotronfrequenz des Protons im inhomogenen Magnetfeld der Falle ermitteln. Daraus wurde der g-Faktor mit einer relativen Genauigkeit von 8,9 × 10−6 bestimmt. Die hier vorgestellten Messverfahren und der experimentelle Aufbau können auf ein äquivalentes Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons zum Erreichen der gleichen Messgenauigkeit übertragen werden, womit der erste Schritt auf dem Weg zu einem neuen zwingenden Test der CPT-Symmetrie im baryonischen Sektor gemacht wäre.

Mode coupling for precise measurements of the electronic g-factor of hydrogen-like ions in Penning traps

The g-factor is a constant which connects the magnetic moment $vec{mu}$ of a charged particle, of charge q and mass m, with its angular momentum $vec{J}$. Thus, the magnetic moment can be writen $ vec{mu}_J=g_Jfrac{q}{2m}vec{J}$. The g-factor for a free particle of spin s=1/2 should take the value g=2. But due to quantum electro-dynamical effects it deviates from this value by a small amount, the so called g-factor anomaly $a_e$, which is of the order of $10^{-3}$ for the free electron. This deviation is even bigger if the electron is exposed to high electric fields. Therefore highly charged ions, where electric field strength gets values on the order of $10^{13}-10^{16}$V/cm at the position of the bound electron, are an interesting field of investigations to test QED-calculations. In previous experiments [H"aff00,Ver04] using a single hydrogen-like ion confined in a Penning trap an accuracy of few parts in $10^{-9}$ was obtained. In the present work a new method for precise measurement of magnetic the electronic g-factor of hydrogen-like ions is discussed. Due to the unavoidable magnetic field inhomogeneity in a Penning trap, a very important contribution to the systematic uncertainty in the previous measurements arose from the elevated energy of the ion required for the measurement of its motional frequencies. Then it was necessary to extrapolate the result to vanishing energies. In the new method the energy in the cyclotron degree of freedom is reduced to the minimum attainable energy. This method consist in measuring the reduced cyclotron frequency $nu_{+}$ indirectly by coupling the axial to the reduced cyclotron motion by irradiation of the radio frequency $nu_{coup}=nu_{+}-nu_{ax}+delta$ where $delta$ is, in principle, an unknown detuning that can be obtained from the knowledge of the coupling process. Then the only unknown parameter is the desired value of $nu_+$. As a test, a measurement with, for simplicity, artificially increased axial energy was performed yielding the result $g_{exp}=2.000~047~020~8(24)(44)$. This is in perfect agreement with both the theoretical result $g_{theo}=2.000~047~020~2(6)$ and the previous experimental result $g_{exp1}=2.000~047~025~4(15)(44).$ In the experimental results the second error-bar is due to the uncertainty in the accepted value for the electron's mass. Thus, with the new method a higher accuracy in the g-factor could lead by comparison to the theoretical value to an improved value of the electron's mass. [H"af00] H. H"affner et al., Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5308 [Ver04] J. Verd'u et al., Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 093002-1

Development of an experiment for ultrahigh-precision g-factor

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Experiments zur hochpräzisen Bestimmung des g-Faktors gebundener Elektronen in hochgeladenen Ionen. Der g-Faktor eines Teilchens ist eine dimensionslose Konstante, die die Stärke der Wechselwirkung mit einem magnetischen Feld beschreibt. Im Falle eines an ein hochgeladenes Ion gebundenen Elektrons, dient es als einer der genausten Tests der Quantenelektrodynamik gebundener Zustande (BS-QED). Die Messung wird in einem dreifach Penning-Fallen System durchgeführt und basiert auf dem kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt. Der erste Teil dieser Arbeit gibt den aktuellen Wissensstand über magnetische Momente wieder. Der hier gewählte experimentelle Aufbau wird begründet. Anschließend werden die experimentellen Anforderungen und die verwendeten Messtechniken erläutert. Das Ladungsbrüten der Ionen - einer der wichtigsten Aufgaben dieser Arbeit - ist dargestellt. Seine Realisierung basiert auf einer Feld-Emissions-Spitzen-Anordnung, die die Messung des Wirkungsquerschnitts für Elektronenstoßionisation ermöglicht. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung und dem Aufbau des Penning-Fallen Systems, sowie der Implementierung des Nachweisprozesses. Gegenwärtig ist der Aufbau zur Erzeugung hochgeladener Ionen und der dazugehörigen Messung des g-Faktors abgeschlossen, einschließlich des Steuerprogramms für die erste Datennahme. Die Ionenerzeugung und das Ladungsbrüten werden die nächsten Schritte sein.

Setup of a Penning trap for precision laser spectroscopy at HITRAP

Ion traps have been established as a powerful tool for ion cooling and laser spectroscopy experiments since a long time ago. SpecTrap, one of the precision experiments associated to the HITRAP facility at GSI, is implementing a Penning trap for studies of large bunches of externally produced highly charged ions. The extremely strong electric and magnetic fields that exist around the nuclei of heavy elements drastically change their electronic properties, such as energy level spacings and radiative lifetimes. The electrons can therefore serve as sensitive probes for nuclear properties such as size, magnetic moment and spatial distribution of charge and magnetization. The energies of forbidden fine and hyperfine structure transitions in such ions strongly depend on the nuclear charge and shift from the microwave domain into the optical domain. Thus, they become accessible for laser spectroscopy and its potentially high accuracy. A number of such measurements has been performed in storage rings and electron beam ion traps and yielded results with relative accuracies in the 10

The g-factor of the electron bound in 28 Si 13+ : the most stringent test of bound-state quantum electrodynamics

This thesis describes the ultra-precise determination of the g-factor of the electron bound to hydrogenlike 28Si13+. The experiment is based on the simultaneous determination of the cyclotron- and Larmor frequency of a single ion, which is stored in a triple Penning-trap setup. The continuous Stern-Gerlach effect is used to couple the spin of the bound electron to the motional frequencies of the ion via a magnetic bottle, which allows the non-destructive determination of the spin state. To this end, a highly sensitive, cryogenic detection system was developed, which allowed the direct, non-destructive detection of the eigenfrequencies with the required precision.rnThe development of a novel, phase sensitive detection technique finally allowed the determination of the g-factor with a relative accuracy of 40 ppt, which was previously inconceivable. The comparison of the hereby determined value with the value predicted by quantumelectrodynamics (QED) allows the verification of the validity of this fundamental theory under the extreme conditions of the strong binding potential of a highly charged ion. The exact agreement of theory and experiment is an impressive demonstration of the exactness of QED. The experimental possibilities created in this work will allow in the near future not only further tests of theory, but also the determination of the mass of the electron with a precision that exceeds the current literature value by more than an order of magnitude.

Proton NMR study of molecular dynamics in ammonium tribromo stannate (NH4SnBr3)

The proton second moment M2 and spin-lattice relaxation time T1 have been measured in ammonium tribromo stannate (NH4SnBr3) in the temperature range 77–300 K, to determine the ammonium dynamics. The continuous wave signal is strong and narrow at 77 and 300 K but has revealed an interesting intensity anomaly between 210 and 125 K. T1 shows a maximum (13 s) around 220 K. No minimum in the T1 vs 1000/T plot was observed down to 77 K. M2 and T1 results are interpreted in terms of NH+4 ion dynamics. The activation energy Ea for NH+4 ion reorientation is estimated to be 1.4 kcal mol−1.

A measurement of the proton elastic form factors for 1 ≤ Q^2 ≤ 3 (GeV/c)^2

We report measurements of the proton form factors, G^p_E and G^p_M, extracted from elastic electron scattering in the range 1 ≤ Q^2 ≤ 3 (GeV/c)^2 with uncertainties of <15% in G^p_E and <3% in G^p_M. The results for G^p_E are somewhat larger than indicated by most theoretical parameterizations. The ratio of Pauli and Dirac form factors, Q^2(F^p_2/F^p_1), is lower in value and demonstrates less Q^2 dependence than these parameterizations have indicated. Comparisons are made to theoretical models, including those based on perturbative QCD, vector-meson dominance, QCD sum rules, and diquark constituents to the proton. A global extraction of the form factors, including previous elastic scattering measurements, is also presented.

Argon predissociation spectroscopy of the OH-center dot H2O and Cl-center dot H2O complexes in the 1000-1900 cm(-1) region: Intramolecular bending transitions and the search for the shared-proton fundamental in the hydroxide monohydrate

We present argon predissociation vibrational spectra of the OH-.H2O and Cl-.H2O complexes in the 1000-1900 cm(-1) energy range, far below the OH stretching region reported in previous studies. This extension allows us to explore the fundamental transitions of the intramolecular bending vibrations associated with the water molecule, as well as that of the shared proton inferred from previous assignments of overtones in the higher energy region. Although the water bending fundamental in the Cl-.H2O spectrum is in very good agreement with expectations, the OH-.H2O spectrum is quite different than anticipated, being dominated by a strong feature at 1090 cm(-1). New full-diniensionality calculations of the OH-.H2O vibrational level structure using diffusion Monte Carlo and the VSCF/CI methods indicate this band arises from excitation of the shared proton.

Präzisionsmessung des magnetischen Moments des Elektrons in wasserstoffähnlichem Kohlenstoff

In dieser Arbeit wird eine Messung des magnetischen Moments des Elektronsin wasserstoffähnlichem Kohlenstoff vorgestellt. Das Ergebnis derMessungen an einem einzelnen gespeicherten¹²C⁵⁺-Ionist: g = 2,001 041 596 4 (8)(6)(44). Der erste Fehler bezeichnet die statistischeUnsicherheit, der zweite Fehler die systematische Unsicherheit. Der letzteFehler resultiert aus der Unsicherheit des Verhältnisses der Massedes ¹²C⁵⁺-Ions und der des Elektrons. Die hohe Genauigkeitder Messung wurde durch die räumliche Trennung des Nachweises derAusrichtung des Spins und des Induzierens der spin-flips erreicht. DieMessung stellt die bisher genaueste Bestimmung eines atomaren g-Faktorsdar und bestätigt den theoretischen Wert der Göteborger Theoriegruppeauf 7*10^-9. Zusammen mit diesen Rechnungen verifiziert sie dieBound-State-QED-Korrekturen genauer als 1%. Somit ist der g-Faktor desin¹²C⁵⁺ gebunden Elektrons neben Messungen der Lambshiftin schweren hochgeladenen Ionen der genaueste Test der Bound-State-QED.
Wird auf die Richtigkeit der Berechnung des g-Faktors des gebundenenElektrons vertraut, kann folgender Wert für die atomare Masse desElektrons gewonnen werden: m_e= 0,000 548 579 912 8 (15) u.

Laserspektroskopie der 1s-Hyperfeinstrukturaufspaltung an wasserstoffähnlichem 207 Pb 81+

Die Messung der 1s Hyperfeinstruktur (HFS) wasserstoffähn-licher Ionen bei hoher Kernladung Z erlaubt den Test der QED in Gegenwart starker elektrischer und magnetischer Felder durchzuführen. Aufgrund der Z^3-Abhängigkeit der magnetischen Wechselwirkung liegt die 1s-HFS bei hohem Z im optischen Spektrum und kann mit der Laserspektroskopie untersucht werden.In der vorliegenden Arbeit wurde die Grundzustands-HFS an 207Pb81+ bestimmt. Die Experimente wurden am Speicherring ESR der Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH am Elek-tronen-gekühlten Bleistrahl durchgeführt.Ein besonderer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Entwick-lung neuer Experimentiertechniken, die es erlauben, lang-lebigen Strahlungsübergänge im nahen infraroten Spektral-bereich mit Hilfe der Fluoreszenz-Laserspektroskopie am Speicherring zu untersuchen. Der Ionenstrahl wurde in kollinearer Geometrie mit einem Nd:YAG-Laser angeregt und die Resonanz durch Doppler-Abstimmung gemessen. Der M1-Übergang der 1s HFS an 207Pb81+ liegt bei 1019,7(2) nm. Die QED-Korrekturen sind damit auf wenige Prozent genau bestimmt. Die theoretische Berechnung der QED-Korrekturen benutzt die gemessenen bzw. den Kernmodellen entnommenen Verteilungen der Kernladung und der Kernmagnetisierung. Die Unsicherheit der Kenntnis dieser Verteilungen spielt nur eine untergeordnete Rolle für die Fehler in der gerechneten QED-Korrektur. Allerdings existieren für das magnetische Moment von 207Pb zwei widersprüchliche Literaturwerte. Die Diskussion der Ergebnisse wird im Rahmen dieses Sachver-haltes geführt.Die natürliche Lebensdauer des oberen Hyperfein-Niveaus wurde mit 49,5(6,5) ms gemessen und ist mit dem Theoriewert von 52,3(2) ms verträglich. Durch präzise Lebensdauermes-sungen können QED-Korrekturen zum g-Faktor des gebundenen Elektrons getestet werden.

Messung des Landé-gJ-Faktors im Grundzustand von Ca + und Untersuchung des Speicherverhaltens von Elektronen in einem Penningkäfig

Ionenkäfige und speziell Penningfallen stellen sich in der Atomphysik als außergewöhnliche Werkzeuge heraus. Zum einen bieten diese 'Teilchencontainer' die Möglichkeit atomphysikalische Präzisionsmessungen durchzuführen und zum anderen stellen Penningfallen schwingungsfähige Systeme dar, in welchen nichtlineare dynamische Prozesse an gespeicherten Teilchen untersucht werden können. In einem ersten Teil der Arbeit wurde mit der in der Atomphysik bekannten Methode der optischen Mikrowellen-Doppelresonanz Spektroskopie der elektronische g-Faktor von Ca+ mit einer Genauigkeit von 4*10^{-8} zu gJ=2,00225664(9) bestimmt. g-Faktoren von Elektronen in gebundenen ionischen Systemen sind fundamentale Größen der Atomphysik, die Informationen über die atomare Wellenfunktion des zu untersuchenden Zustandes liefern. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde hinsichtlich der Untersuchungen zur nichtlinearen Dynamik von parametrisch angeregten gespeicherten Elektronen beobachtet, dass ab bestimmten kritischen Teilchendichten in der Penningfalle die gespeicherten Elektronen kollektive Eigenschaften manifestieren. Weiterhin wurde bei der Anregung der axialen Eigenbewegung ein Schwellenverhalten der gemessenen Subharmonischen zur 2*omega_z-Resonanz beobachtet. Dieser Schwelleneffekt lässt sich mit der Existenz eines Dämpfungsmechanismus erklären, der auf die Elektronenwolke einwirkt, so dass eine Mindestamplitude der Anregung erforderlich ist, um diese Dämpfung zu überwinden. Durch Bestimmung der charakteristischen Kurven der gedämpften Mathieuschen Differentialgleichung konnte das beobachtete Phänomen theoretisch verstanden werden.

Ground state properties of neutron-rich Mg isotopes

Studies in regions of the nuclear chart in which the model predictions of properties of nuclei fail can bring a better understanding of the strong interaction in the nuclear medium. To such regions belongs the so called "island of inversion" centered around Ne, Na and Mg isotopes with 20 neutrons in which unexpected ground-state spins, large deformations and dense low-energy spectra appear. This is a strong argument that the magic N = 20 is not a closed shell in this area. In this thesis investigations of isotope shifts of stable 24,25,26Mg, as well as spins and magnetic moments of short-lived 29,31Mg are presented. The successful studies were performed at the ISOLDE facility at CERN using collinear laser and beta-NMR spectroscopy techniques. The isotopes were investigated as single-charged ions in the 280-nm transition from the atomic ground state 2S1/2 to one of the two lowest excited states 2P1/2,3/2 using continuous wave laser beams. The isotope-shift measurements with fluorescence detection for the three stable isotopes show that it is feasible to perform the same studies on radioactive Mg isotopes up to the "island of inversion". This will allow to determine differences in the mean charge square radii and interpret them in terms of deformation. The high detection efficiency for beta particles and optical pumping close to saturation allowed to obtain very good beta-asymmetry signals for 29Mg and 31Mg with half-lives around 1 s and production yields about 10^5 ions/s. For this purpose the ions were implanted into a host crystal lattice. Such detection of the atomic resonances revealed their hyperfine structure, which gives the sign and a first estimate of the value of the magnetic moment. The nuclear magnetic resonance gave also their g-factors with the relative uncertainty smaller than 0.2 %. By combining the two techniques also the nuclear spin of both isotopes could be unambiguously determined. The measured spins and g-factors show that 29Mg with 17 neutrons lies outside the "island of inversion". On the other hand, 31Mg with 19 neutrons has an unexpected ground-state spin which can be explained only by promoting at least two neutrons across the N = 20 shell gap. This places the above nucleus inside the "island". However, modern shell-model approaches cannot predict this level as the ground state but only as one of the low-lying states, even though they reproduce very well the experimental g-factor. This indicates that modifications to the available interactions are required. Future measurements include isotope shift measurements on radioactive Mg isotopes and beta-NMR studies on 33Mg.

A planar Penning trap

In this thesis I present theoretical and experimental results concern- ing the operation and properties of a new kind of Penning trap, the planar trap. It consists of circular electrodes printed on an isolating surface, with an homogeneous magnetic field pointing perpendicular to that surface. The motivation of such geometry is to be found in the construction of an array of planar traps for quantum informa- tional purposes. The open access to radiation of this geometry, and the long coherence times expected for Penning traps, make the planar trap a good candidate for quantum computation. Several proposals for quantum 2-qubit interactions are studied and estimates for their rates are given. An expression for the electrostatic potential is presented, and its fea- tures exposed. A detailed study of the anharmonicity of the potential is given theoretically and is later demonstrated by experiment and numerical simulations, showing good agreement. Size scalability of this trap has been studied by replacing the original planar trap by a trap twice smaller in the experimental setup. This substitution shows no scale effect apart from those expected for the scaling of the parameters of the trap. A smaller lifetime for trapped electrons is seen for this smaller trap, but is clearly matched to a bigger misalignment of the trap’s surface and the magnetic field, due to its more difficult hand manipulation. I also give a hint that this trap may be of help in studying non-linear dynamics for a sextupolarly perturbed Penning trap.