Studying an unbalanced two-ion crystal in a Penning trapTowards the quantum regime in a high magnetic field

Abstract

Esta Tesis doctoral ha estado dedicada al estudio de una nueva técnica basada en dos iones atrapados de forma simultánea, de cara a la realización de espectrometría de masas de alta precisión con trampas Penning. Uno de los iones (sensor) puede enfriarse mediante láseres hasta el límite Doppler, o incluso hasta su estado fundamental. El otro ion (de interés) es enfriado al mismo nivel gracias a la interacción de Coulomb. En este escenario se forma un cristal. La información sobre las oscilaciones del cristal se obtiene a través de los fotones dispersados por el ion sensor. En esta Tesis se ha estudiado el cristal asimétrico de dos iones en una trampa Penning, con especial atención a los modos de movimiento del mismo, así como a los corrimientos en frecuencia que surgen debido a la no-armonicidad de la interacción de Coulomb. Parte de estos resultados se han publicado en la revista Physical Review A, y el paquete informático construido para este estudio está disponible para todos los grupos que trabajan con iones atrapados. La parte experimental de la Tesis tiene dos componentes importantes: i) la implementación de un nuevo sistema de control y adquisición de datos basado en ARTIQ (Advanced Real-Time Infrastructure for Quantum physics) y ii) el estudio y mejoras en torno a la trampa de anillos abierta, donde se forma dicho cristal. En el trabajo llevado a cabo con ARTIQ se han integrado los dispositivos necesarios para atrapar, aplicar campos dipolares o cuadrupolares y registrar la imagen del ion sensor. El trabajo sobre la trampa Penning comenzó instaurando un protocolo de sintonización, basado en un programa de resolución de potenciales electrostáticos propio, para establecer un procedimiento de sintonización que minimice términos no armónicos. También se ha trabajado en mejoras técnicas como la producción de iones y en el sistema de láseres. Los resultados, incluyendo enfriamiento láser de 40Ca+ en 7 Tesla, se publicaron en la revista New Journal of Physics. La Tesis termina presentando un cristal de dos iones, que constituye una plataforma única para llevar a cabo los estudios aquí propuestos.