Confinement of a single Ca+ ion for optical frequency metrology

Confinement d'un ion unique de Ca+ pour la métrologie des fréquences optiques

Martina Knoop (1)

1 PIIM - Physique des interactions ioniques et moléculaires

This report summarizes my research on the Ca+ ion carried out during the last decade. The preliminary spectroscopic work in a traditional Paul trap is briefly reviewed. In a cloud of hot ions the lifetimes of the metastables 3D doublet levels have been measured and collisional effects which affect these lifetimes have been investigated. To access the Lamb-Dicke regime with a single ion, a miniature trap has been built. This trap has been fully characterized, before undergoing a phase of optimization of laser cooling and reduction of the number of the particles. The observation of quantum jumps of a single ion has been used for the precise measurement of metastable level lifetimes, preparing the interrogation of the clock transition under well controlled conditions. The reduction of excess micromotion has been approached by various techniques, in particular by the observation of dark resonances using varying laser beam geometry. The work in progress on the observation of motional side bands in the spectrum of the clock transition is discussed. The theoretical study of the systematic effects prepares the experimental conditions necessary for the optical frequency metrology.

Le présent rapport résume mon travail de recherche sur l'ion Ca+ effectué au cours de la dernière décennie. Les travaux préliminaires effectués dans un piège de Paul classique sont brièvement revus. Il s'agit notamment des mesures de durées de vie dans un nuage d'ions chauds ainsi qu'une étude des effets collisionnels pouvant réduire la durée de vie du doublet métastable 3D. Un piège miniature a ensuite été monté pour permettre l'accès au régime de Lamb-Dicke avec un ion unique. Ce piège a d'abord été caractérisé, avant d'entrer dans une phase d'optimisation du refroidissement laser et de la réduction du nombre des particules. L'observation des sauts quantiques d'un ion unique a servi à la mesure des durées de vie du niveau métastable, préparation pour l'interrogation de la transition d'horloge dans des conditions bien contrôlées. La réduction du micromouvement "excessif" a été abordée par différentes techniques, notamment par l'observation des résonances noires en variant la géométrie des faisceaux lasers. Les travaux en cours sur l'observation du spectre de bandes latérales du mouvement d'un ion unique sur la transition d'horloge sont discutés. L'étude théorique des effets systématiques prépare les conditions expérimentales nécessaires pour la métrologie des fréquences.

Mots clés: radiofrequency trap; single ion; metastable level lifetimes; laser spectroscopy; dark resonances; excess micromotion; optical frequency metrology; systematic effects

Mots clés: piège radiofréquence; ion unique; durée de vie de niveaux métastables; spectroscopie laser; résonances noires; micromouvement excessif; métrologie de fréquence optique; effets systématiques

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Martina Knoop. Confinement d'un ion unique de Ca+ pour la métrologie des fréquences optiques. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université de Provence - Aix-Marseille I, 2005. ⟨tel-00009442⟩