Ion based microwave clocks : transport and analysis of an ion cloud in a multi-zone rf-trap
Horloge micro-onde à ions : analyse et transport d’un nuage d’ions dans un piège à plusieurs zones
Résumé
This thesis is part of a project aiming to explore the performance limiting factors of a microwave ion clock. This work is based on the observation and manipulation of a large ion cloud in potentials with different geometries. The purpose is to analyze and transport a large cloud of more than 10^6 ions in a linear radio-frequency trap with several zones. In our group, we have a three-zone trap for calcium ion trapping : two quadrupole parts and an octupole part mounted inline. Ions are created in the first quadrupole part by photo- ionization and cooled by lasers along the trap z axis. We study the creation of a large ion cloud in the first part of the trap. The current trapping and cooling parameters limit the maximum size of the cloud to 1, 2.10^5 ions. with an optimized transport protocol, these ions are transfered in the second part of the trap and then in the octupole trap with an efficiency of up to 100 % for cloud sizes exceeding 10^5 ions. All transport protocoles are at least a factor of 10^3 faster than adiabatic transport. The study of the fraction of the ions leaving the initial trap as function of the transport duration shows an oscillation between a high probability of departure and a zero probability. In addition, the results show a different behavior for the two transport directions. We exploit this asymmetric transport to add ions in the second or third trap without loss of the already trapped ions. This accumulation technique has improved the number of trapped ions to 2.5.10^5 in the second and third trap. The system parameters, such as the laser power available for cooling and the size of the cloud seems to be the major limiting factor of this number. Finally the observation of the fluorescence of the ions in the octupole shows that the laser cooled ions are localised in three different potential wells. This is in contradiction with the hollow structure predicted by the analytical fluid model and molecular dynamics simulations. The cause of this difference is a tiny defect of about 1% in the octupole symmetry of the RF-electrodes which leads to harmonic local minima in the multipole potential. These results will improve the frequency stability of ion based micro-wave clocks by providing some solutions to increase the number of cold trapped ion, to transport large ion clouds in the gas phase faster than adiabatic and to exploire the sensitivity of the laser-cooled ion structure to symmetry breaking in multipole trap.
Cette thèse a été effectuée dans le cadre d’un projet qui vise à explorer les facteurs limitants des performances d’une horloge à ions dans le domaine des fréquences micro-onde. Ce travail repose sur l’observation et la manipulation d’un grand nuage d’ions dans des potentiels de géométries différentes. Le but est l’analyse et le transport d’un grand nuage pouvant dépasser 10^6 ions dans un piège radio-fréquence linéaire à plusieurs zones. Dans notre groupe, nous disposons d’un piège à trois zones destiné au piégeage d’ions calcium : deux parties quadrupolaires et une partie octupolaire montées en ligne. Les ions sont créés dans la première partie quadrupolaire par photo-ionisation et refroidis par laser le long de l’axe de symétrie du piège. Nous avons d’abord étudié comment créer dans la première partie du piège un grand nuage. La limite actuelle des paramètres de confinement et de refroidissement laser permet de confiner et de détecter des nuages de taille maximale de 1, 2.105 ions. Ensuite grâce à un protocole de transport optimisé, ces ions sont transportés dans la deuxième partie du piège puis dans l’octupole avec une efficacité pouvant atteindre 100% pour des tailles de nuage dépassant les 105 ions. Tous les protocoles de transport sont au moins un facteur 10^3 plus rapide que le transport adiabatique. Une analyse du nombre d’ions quittant le piège d’origine en fonction de la durée du transport montre une alternance entre une grande probabilité de départ et une probabilité nulle. De plus, ce comportement révèle une différence entre les deux sens du transport. Nous exploitons cette asymétrie pour ajouter des ions dans le deuxième ou troisième piège sans perte du nuage initialement pré- sent. Cette technique d’accumulation a permis d’augmenter le nombre d’ions piégés mesuré à 2, 5.10^5 ions dans le deuxième et troisième piège. Des paramètres du système tels que la puissance laser disponible pour le refroidissement et l’extension des dimensions du nuage semblent être les facteurs limitant ce nombre. Enfin, dans le piège octupolaire, l’observa- tion de la fluorescence induite des ions montre que, soumis au refroidissement laser, les ions s’organisent dans trois puits de potentiel distincts. Ceci est en contradiction avec la structure creuse prévue par le modèle fluide analytique et les simulations de dynamique moléculaire. La cause de cette différence est un minuscule défaut d’environ 1% dans la symétrie octupolaire des barreaux qui conduit à des minima locaux harmoniques dans le puits de potentiel multipolaire. Ce travail participe à l’amélioration de la stabilité des hor- loges micro-onde à ions en fournissant des pistes pour augmenter la taille des nuages froids piégés, pour transporter rapidement de grands nuages en phase gazeuse et en mettant en évidence la sensibilité de l’organisation des ions refroidis par laser aux défauts de symétrie dans les multipoles.
Loading...