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.

Direct observation of a single proton in a Penning trap

In der vorgelegten Doktorarbeit werden Experimente vorgestellt, die an einem einzelnen Proton in einer Penningfalle durchgeführt worden sind. Die Eigenbewegung eines isoliert gespeicherten, freien Protons konnte elektronisch durch Kopplung an einen Resonanzschwingkreis nachgewiesen werden. Dies stellt eine nicht-destruktive Messung dar, d. h. das Teilchen geht während der Messung nicht verloren. Die freie Zyklotronfrequenz, die aus den drei gemessenen Eigenfrequenzen hervorgeht, ist eine von zwei zur Bestimmung des magnetischen Moments notwendigen Frequenzen. So wird im Gegensatz zu den existierenden Arbeiten eine direkte Bestimmung des g-Faktors ermöglicht. Planung, Entwicklung und Inbetriebnahme des experimentellen Aufbaus wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt, womit eine Messgenauigkeit von 10-7 erreicht wurde. Die dabei zu bewältigenden technischen Herausforderungen zur Bestimmung der zweiten Frequenz (der Larmorfrequenz) ergeben sich aus der Kleinheit des magnetischen Moments. Bei dem für diese Messung benötigten Spinzustand des Teilchens handelt es sich um einen internen Freiheitsgrad, der nur über eine Kopplung des magnetischen Moments an die Eigenbewegung bestimmt werden kann. Eine neuartige, hybride Penningfalle wird in dieser Arbeit vorgestellt, die als Quantensprung-Spektrometer die Spininformation auf die Eigenbewegung abbildet. Damit liegt der aus der magnetischen Kopplung resultierende Frequenzunterschied in den beiden Spinzuständen erstmalig in einem elektronisch detektierbaren Bereich.

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

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.

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.

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.

Effects of external magnetic field on the effective g factor of (Ga,Mn)As

With the help of time resolved magneto-optic Kerr rotation measurements, the optically induced spin precession in heavily doped diluted magnetic semiconductor Ga0.937Mn0.063 As was observed. It was found that the effective g factor increases with increasing magnetic field, which is attributed to the magnetic-field-induced increase of the density of the non-localized holes. Those free holes will couple with the localized magnetic ions by p-d interactions, leading to the formation of spontaneous magnetization in Ga0.937Mn0.063As, which in turn to the enhancement of the effective g factor.

Temperature dependence of effective g factor in diluted magnetic semiconductor (Ga,Mn)As

Time resolved magneto-optic Kerr rotation measurements of optically induced spin quantum beats are performed on heavily doped bulk (Ga,Mn)As diluted magnetic semiconductors (DMS). An effective g-factor of about 0.2-0.3 over a wide range of temperature for both as-grown and annealed (Ga,Mn)As samples is obtained. A larger effective g-factor at lower temperature and an increase of the spin relaxation with increasing in-plane magnetic field are observed and attributed to the stronger p-d exchange interaction between holes and the localized magnetic ion spins, leading to a larger Zeeman splitting and heavy-hole-light-hole mixing. An abnormal dip structure of the g-factor in the vicinity of the Curie temperature suggests that the mean-field model is insufficient to describe the interactions and dynamics of spins in DMS because it neglects the short-range spin correlation effect. (c) 2008 American Institute of Physics.

Magnetic field tuning of the effective g factor in a diluted magnetic semiconductor quantum dot

The spin interaction and the effective g factor of a magnetic exciton (ME) are investigated theoretically in a diluted magnetic semiconductor (DMS) quantum dot (QD), including the Coulomb interaction and the sp-d exchange interaction. At low magnetic field, the ME energy decreases rapidly with increasing magnetic field and saturates at high magnetic field for high Mn concentration. The ground state of the ME exhibits an interesting crossing behavior between sigma(+)-ME and sigma(-)-ME for low Mn concentration. The g(ex) factor of the ME in a DMS QD displays a monotonic decrease with increasing magnetic field and can be tuned to zero by an external magnetic field. (C) 2003 American Institute of Physics.

Magnetic-field and confinement effects on the effective Land, g factor in AlxGa1-xAs parabolic quantum wells

The magnetic-field and confinement effects on the Land, factor in AlxGa1-xAs parabolic quantum wells under magnetic fields applied parallel or perpendicular to the growth direction are theoretically studied. Calculations are performed in the limit of low temperatures and low electron density in the heterostructure. The g factor is obtained by taking into account the effects of non-parabolicity and anisotropy of the conduction band through the 2 x 2 Ogg-McCombe Hamiltonian, and by including the cubic Dresselhaus spin-orbit term. A simple formula describing the magnetic-field dependence of the effective Land, factor is analytically derived by using the Rayleigh-Schrodinger perturbation theory, and it is found in good agreement with previous experimental studies devoted to understand the behavior of the g factor, as a function of an applied magnetic field, in semiconductor heterostructures. Present numerical results for the effective Land, factor are shown as functions of the quantum-well parameters and magnetic-field strength, and compared with available experimental measurements.

Effect of the Rashba and Dresselhaus spin-splitting terms on the electron g factor in semiconductor quantum wells under applied magnetic fields

We use the Ogg-McCombe Hamiltonian together with the Dresselhaus and Rashba spin-splitting terms to find the g factor of conduction electrons in GaAs-(Ga,Al)As semiconductor quantum wells (QWS) (either symmetric or asymmetric) under a magnetic field applied along the growth direction. The combined effects of non-parabolicity, anisotropy and spin-splitting terms are taken into account. Theoretical results are given as functions of the QW width and compared with available experimental data and previous theoretical works. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nuclear structure studies in the xenon and radon region and the discovery of a new radon isotope by Penning trap mass spectrometry

Heutzutage gewähren hochpräzise Massenmessungen mit Penning-Fallen tiefe Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der Kernmaterie. Zu diesem Zweck wird die freie Zyklotronfrequenz eines Ions bestimmt, das in einem starken, homogenen Magnetfeld gespeichert ist. Am ISOLTRAP-Massenspektrometer an ISOLDE / CERN können die Massen von kurzlebigen, radioaktiven Nukliden mit Halbwertszeiten bis zu einigen zehn ms mit einer Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-8 bestimmt werden. ISOLTRAP besteht aus einem Radiofrequenz-Quadrupol zum akkumulieren der von ISOLDE gelieferten Ionen, sowie zwei Penning-Fallen zum säubern und zur Massenbestimmung der Ionen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die Massen von neutronenreichen Xenon- und Radonisotopen (138-146Xe und 223-229Rn) gemessen. Für elf davon wurde zum ersten Mal die Masse direkt bestimmt; 229Rn wurde im Zuge dieses Experimentes sogar erstmalig beobachtet und seine Halbwertszeit konnte zu ungefähr 12 s bestimmt werden. Da die Masse eines Nuklids alle Wechselwirkungen innerhalb des Kerns widerspiegelt, ist sie einzigartig für jedes Nuklid. Eine dieser Wechselwirkungen, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, führt zum Beispiel zu Deformationen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Verbindung zwischen kollektiven Effekten, wie Deformationen und Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, sogenannten deltaVpn-Werten zu finden. Insbesondere in den hier untersuchten Regionen zeigen deltaVpn-Werte ein sehr ungewöhnliches Verhalten, das sich nicht mit einfachen Argumenten deuten lässt. Eine Erklärung könnte das Auftreten von Oktupoldeformationen in diesen Gebieten sein. Nichtsdestotrotz ist eine quantitative Beschreibung von deltaVpn-Werten, die den Effekt von solchen Deformationen berücksichtigt mit modernen Theorien noch nicht möglich.

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

Molecular Dynamics in [(CH8)aN]z Cd14 A Proton Magnetic Relaxation Study

second moment measurements are carried out on [(CH,),N], CdI, in the temperature range 77 to 400 K. The results are interpreted based on a molecular dynamical model of randomly reorienting methyl groups and isotropically tumbling tetramethyl ammonium group. The relaxation data show contributions from spin-rotation interaction at high temperatures and presence of inequivalent methyl groups. The correlation times and associated activation energies, connected with this model, are calculated from the data. The structure in the absorption line and in the free-induction decay signal at 77 K indicates the possibility of tunnelling motion of the methyl groups. Im Temperaturbereich 77 bis 400 K werden an [(CH,),N],CdI, Protonen-Spin-Gitter-Relaxationsexperimente (bei Larmorfrequenzen von 10,20 und 30 MHz) und Messungen des zweiten Moments durchgefiihrt. Die Ergebnisse werden an Hand eines molekularen dynamischen Modells sich statistisch umorientierender Methylgruppen und isotrop taumelnder Tetramethyl-Ammoniumgruppen interpretiert. Die Relaxationswerte zeigen Beitriige von Spin-Rotations-Wechselwirkung bei hohen Temperaturen und die Anwesenheit von inaquivalenten Methylgruppen. Die Korrelationszeiten und verknupften Aktivierungsenergien, die mit diesem Model1 verbunden sind, werden am den Werten berechnet. Die Struktur in der Absorptionslinie und im Abklingsignal der freien Induktion bei 77 K zeigt die Moglichkeit einer Tunnelbewegung der Methylgruppen.

Charged pion contribution to the anomalous magnetic moment of the muon

The model dependence inherent in hadronic calculations is one of the dominant sources of uncertainty in the theoretical prediction of the anomalous magnetic moment of the muon. In this thesis, we focus on the charged pion contribution and turn a critical eye on the models employed in the few previous calculations of $a_\mu^{\pi^+\pi^-}$. Chiral perturbation theory provides a check on these models at low energies, and we therefore calculate the charged pion contribution to light-by-light (LBL) scattering to $\mathcal{O}(p^6)$. We show that the dominant corrections to the leading order (LO) result come from two low energy constants which show up in the form factors for the $\gamma\pi\pi$ and $\gamma\gamma\pi\pi$ vertices. Comparison with the existing models reveal a potentially significant omission - none include the pion polarizability corrections associated with the $\gamma\gamma\pi\pi$ vertex. We next consider alternative models where the pion polarizability is produced through exchange of the $a_1$ axial vector meson. These have poor UV behavior, however, making them unsuited for the $a_\mu^{\pi^+\pi^-}$ calculation. We turn to a simpler form factor modeling approach, generating two distinct models which reproduce the pion polarizability corrections at low energies, have the correct QCD scaling at high energies, and generate finite contributions to $a_\mu^{\pi^+\pi^-}$. With these two models, we calculate the charged pion contribution to the anomalous magnetic moment of the muon, finding values larger than those previously reported: $a_\mu^\mathrm{I} = -1.779(4)\times10^{-10}\,,\,a_\mu^\mathrm{II} = -4.892(3)\times10^{-10}$.