Name: Métodos experimentales para atrapar iones usando recientemente trampas de iones de la superficie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: Aprende a fabricar trampas de iones de superficie y atrapar iones de iterbio en cámara de ultra alto vacío para procesamiento de información cuántica. Este protocolo experimental detalla la construcción del chip microfabricado y la alineación óptica necesaria.

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Esta investigación fue parcialmente financiada por el Ministerio de ciencia, TIC, y planificación del futuro (MSIP), Corea del sur, bajo el centro de investigación tecnología de información (ITRC) apoyo programa (IITP-2017-2015-0-00385) y la R ICT &#38; programa D (10043464, desarrollo de repetidor la tecnología cuántica para la aplicación de sistemas de comunicación), supervisado por el Instituto para la información &#38; promoción de tecnología de comunicaciones (IITP).

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Los autores no tienen nada que revelar.

Este trabajo presenta un método para iones de captura con trampas de iones superficiales recientemente. La construcción de un sistema de captura de iones requiere experiencias en diversos campos de la investigación pero no se ha descrito previamente en detalle. Este documento proporciona procedimientos detallados para microfabricating un chip de la trampa, así como para construir una instalación experimental para atrapar iones por primera vez. Este artículo también proporciona procedimientos detallados para atrapar iones de Yb+ 174y experimentación con los iones atrapados.
Un obstáculo importante que enfrentan en los procesos de microfabricación es la deposición de la capa dieléctrica, con un espesor de más de 10 μm. Durante el proceso de deposición de la capa dieléctrica, tensión residual puede acumular, que puedan causar daños a la película dieléctrica o incluso romper la oblea. Para reducir el estrés residual, que es generalmente a la compresión, una tasa de deposición lenta debe ser usado40. En nuestro caso, un esfuerzo de compresión de 110.4 MPa se midió con las condiciones de deposición de sccm 540 SiH4 gas, 140 W de potencia, y 1,9 Torr de presión 5-μm grosor de película. Sin embargo, estas condiciones de proceso proporcionan sólo una referencia aproximada, puesto que estas condiciones pueden variar considerablemente para diferentes equipos. Con el fin de reducir los efectos del stress acumulado, películas de2 de SiO de 3,5 μm de grosor fueron depositadas fabricarán en ambos lados de la oblea en el método presentado. El espesor requerido de la capa dieléctrica puede reducirse si una menor amplitud de la tensión de RF y por lo tanto una menor profundidad de la trampa es elegida. Sin embargo, una menor profundidad de trampa fácilmente conduce a la fuga de iones atrapados, para que la fabricación de capas dieléctricas más gruesas, que pueden soportar voltajes más altos de RF, es más deseable.
Existen algunas limitaciones para el método de fabricación presentados en este documento. Las longitudes de las proyecciones no son suficientes para ocultar totalmente las paredes laterales dieléctricas de los iones atrapados, como se muestra en la figura 7f. Además, las paredes laterales de los pilares de óxido son irregulares, aumentando el área expuesta de las estructuras dieléctricas en comparación con el pilar de óxido vertical. Por ejemplo, en el caso de la pared lateral del riel interior C.C. cerca de la ranura de carga con una proyección uniforme de 5 μm, se calcula que el 33% de la superficie del dieléctrico está expuesto a la posición de iones atrapados de la pared vertical. En el caso de borde irregular, está expuesto más del 70% de la superficie de la pared lateral. Estos resultados de fabricación no ideales pueden inducir campos callejeros adicionales de los dieléctricos expuestos, pero los efectos no se han medido cuantitativamente. Sin embargo, el chip fabricado como se informó anteriormente se ha utilizado con éxito en la interceptación del ion y experimentos de manipulación del qubit. Además, el chip de la trampa presentado en este trabajo ha expuesto flancos de silicio cerca de la ranura de carga. Óxido nativo puede crecer en las superficies de silicio y puede resultar en más campos dispersos. Por lo tanto, se recomienda proteger el sustrato de silicio con una capa adicional de metal, como en33.
Para atrapar los iones de Yb+ 174, las frecuencias de los rayos láser deben ser estabilizadas dentro de unas decenas de MHz, y se discuten algunos métodos diferentes en configuraciones avanzadas38,41. Sin embargo, para la configuración simple en este papel, captura inicial es posible sólo con la estabilización con un medidor de longitud de onda.
Este documento proporciona un protocolo para atrapar iones de Yb+ 174usando un chip de trampa de iones superficiales recientemente. Aunque no se discute específicamente el protocolo para atrapar iones de Yb+ 171, el montaje experimental descrito en este artículo también puede utilizarse para atrapar iones de 171Yb+ y manipular el estado del qubit de 171 Iones Yb+ para obtener Rabi oscilación resultados (se muestra en la figura 10). Esto puede hacerse mediante la adición de varios moduladores ópticos a la salida de los rayos láser y usando una configuración de microondas, como se describe en el Documento complementario.
En conclusión, los métodos experimentales y los resultados presentados en este documento pueden utilizarse para desarrollar varias aplicaciones de información cuántica con superficie trampas de iones.

Una trampa de Paul puede confinar las partículas cargadas, como los iones en el espacio vacío, usando una combinación de un campo eléctrico estático y un campo eléctrico variable oscilante de radio frecuencia (RF), y los estados cuánticos de los confinados en la trampa de iones puede ser medidos y controlado1,2,3. Tales trampas de iones fueron desarrolladas originalmente para aplicaciones de medición precisa, incluyendo relojes de ópticas y espectroscopía de masas4,5,6. En los últimos años, estas trampas de iones también se han activamente exploradas como una plataforma física para implementar el procesamiento de la información cuántica atribuida a las características deseables de iones atrapados, como largos tiempos de coherencia, aislamiento ideal en una altísima vacío (UHV) medio ambiente y la viabilidad de cada qubit manipulación7,8,9,10. Desde Kielpinski et al. 11 propone una arquitectura escalable de trampa de iones que puede utilizarse para el desarrollo de ordenadores cuánticos, varios tipos de trampas superficiales, incluyendo conexiones trampas12,13, varias zonas trampa fichas14y matriz 2-d se han desarrollado trampas15,16,17, usando semiconductores derivados del proceso de microfabricación métodos18,19,20,21 . Información cuántica a gran escala sistemas basados en la superficie de procesamiento trampas han sido discutido22,23,24.
Este documento presenta métodos experimentales para los iones de la captura con trampas de iones superficiales recientemente. Más específicamente, se describe un procedimiento para la fabricación de trampas de iones superficiales y un procedimiento detallado para los iones de captura con trampas fabricadas. Además, se proporcionan descripciones detalladas de varias técnicas prácticas para configurar el sistema experimental y atrapando los iones en el Documento complementario.
La metodología de microfabricating una superficie trampa de iones se da en el paso 1. La figura 1 muestra un esquema simplificado de una trampa de iones superficial. Los campos eléctricos generados por el voltaje aplicado a los electrodos en el plano transversal se muestran también25. Una tensión de RF se aplica al par de los electrodos de RF, mientras todos los otros electrodos se mantienen en tierra de RF; potencial de ponderomotive26 generado por la tensión de RF limita los iones en la dirección radial. El voltaje de corriente directa (DC) aplicado a los múltiples electrodos DC fuera de los electrodos de RF confinar los iones en la dirección longitudinal. Los rieles interiores entre los electrodos de RF están diseñados para ayudar a la inclinación de los ejes principales del potencial total en el plano transversal. La metodología para el diseño de un sistema de voltaje de DC está incluida en el Documento complementario. Además, pueden encontrarse más detalles para el diseño de los parámetros geométricos esenciales de fichas de trampa de iones superficiales en27,28,,29,30,31.
El método de fabricación introducido en el paso 1 fue diseñado teniendo en cuenta los siguientes aspectos. En primer lugar, la capa de dieléctrico entre la capa de electrodo y la capa de tierra debe ser suficientemente gruesa para evitar la avería eléctrica entre las capas. Generalmente, el espesor debe ser sobre 10. Durante la deposición de la capa dieléctrica, la tensión residual de las películas depositadas puede causar arqueamiento de los daños a las películas depositadas o sustrato. Así, el control de la tensión residual es una de las técnicas claves en la fabricación de las trampas de iones superficiales. En segundo lugar, debe minimizarse la exposición de las superficies dieléctricas en la posición de iones debido a los cargos pueden ser inducidos en el material dieléctrico por láser dispersa radiación ultravioleta (UV), que en los resultados de vuelta en un cambio aleatorio del ion de la posición. El área expuesta puede reducirse mediante el diseño de estructuras de electrodo de proyección. Se ha reportado que la superficie trampas de iones con electrodos voladizos son resistentes a la carga bajo condiciones experimentales típicos32. Tercero, todos los materiales, incluyendo varias películas depositadas, deben ser capaces de soportar 200 ° C para hornear durante aproximadamente 2 semanas, y la cantidad de emisión de gases de todos los materiales debe ser compatible con medioambientes con UHV. El diseño de la superficie de trampa de iones chips recientemente en este trabajo se basa en el diseño de trampa de33, que fue utilizado con éxito en varios experimentos32,de33,34, 35. tenga en cuenta que este diseño incluye una ranura en el medio de la viruta para carga de átomos neutrales, que son más adelante foto ionizado para la captura.
Después de la fabricación de la viruta de trampa de iones, el chip es montado y conectado eléctricamente al portador de viruta con hilos de oro de la vinculación. El chip se instala entonces en una cámara UHV. Un procedimiento detallado para la preparación de un paquete de la viruta de la trampa y el diseño de la cámara UHV se proporcionan en el Documento complementario.
Preparación de los equipos ópticos y eléctricos, así como los procedimientos experimentales para iones de reventado, se explican en detalle en el paso 2. Los iones atrapados por el ponderomotive potenciales son generalmente sujetos a las fluctuaciones del campo eléctrico circundante, que continuamente aumenta la energía cinética media de los iones. Láser de refrigeración basado en cambio de Doppler se puede utilizar para quitar el exceso de energía de movimiento de los iones. La figura 2 muestra los diagramas de nivel de energía simplificados de un ion de Yb+ 174y un átomo neutro 174del Yb. Enfriamiento Doppler de iones de 174Yb+ requiere un láser 369,5 y un láser 935, mientras que la foto-ionización de los átomos de Yb neutral 174requiere un láser 399. Pasos 2.2 y 2.3 describen un método eficiente para alinear estos láseres a la viruta superficie de trampa de iones y un procedimiento para encontrar las condiciones adecuadas para la fotoionización. Después se preparan los componentes ópticos y eléctricos, atrapando los iones es relativamente sencilla. Se presenta la secuencia experimental para los iones de la captura en el paso 2.4.

<table><tbody><tr><td>fotorresistencia utilizado para 2-&mu; m spin coating</td><td>AZ Materials</td><td>AZ7220</td><td>Descatalogado. Fácilmente reemplazable por otro producto fotorresistente alternativo.</td></tr><tr><td>fotorresistencia utilizado para 6-&mu; recubrimiento de giro m</td><td>AZ Materials</td><td>AZ4620</td><td>Descontinuado. Fácilmente reemplazable por otro producto fotorresistente alternativo.</td></tr><tr><td>portador de virutas cerámicas</td><td>NTK</td><td>IPKX0F1-8180BA</td><td></td></tr><tr><td>compuesto epoxi</td><td>Epotek</td><td>353ND</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de deposición química de vapor a baja presión (LPCVD)</td><td>Centrotherm</td><td>E-1200</td><td></td></tr><tr><td>Horno</td><td>Seltron</td><td>SHF-150</td><td></td></tr><tr><td>Pulverización catódica</td><td>Muhan Vacuum</td><td>MHS-1500</td><td></td></tr><tr><td>Alineador manual</td><td>Karl-Suss</td><td>MA-6</td><td></td></tr><tr><td>Grabador de Si profundo</td><td>Plasma-Therm</td><td>SLR-770-10R-B</td><td></td></tr><tr><td>Grabador de plasma acoplado inductivo (ICP)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100 Cobra</td><td></td></tr><tr><td>Grabado iónico reactivo (RIE) Materiales</td><td>aplicados</td><td>P-5000</td><td></td></tr><tr><td>Software de método de elementos de contorno (BEM)</td><td>CPO Ltd.</td>Óptica <td></td>de <td>partículas cargadas</td></tr><tr><td>Oblea de silicio monocristalina (100)</td><td>STC</td><td>4SWP02</td><td>100 mm / (100) / Tipo P / SSP / 525&plusmn; 25 &mu; m</td></tr> tubos <tr><td>metálicos</td><td>Mcmaster-carr</td><td>89935K69</td><td>316 Tubo de acero inoxidable, 0,042" de diámetro exterior, 0,004" de espesor de pared</td></tr><tr><td>Pieza Yb</td><td>Goodfellow</td><td>YB005110</td><td>Alambre de iterbio, pureza 99.9%</td></tr><tr><td>enriquecido 171Yb</td><td>Laboratorio Nacional de Oak Ridge Yb-171</td><td></td><td>https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium</td></tr><tr><td>lámina</td> <td>de tantalioThe Nilaco Corporation</td><td>TI-453401</td><td>0.25x130x100mm 99.5%</td></tr><tr><td>Alambre de cobre aislado Kapton</td><td>Accu-glass</td><td>18AWG (alambre de cobre plateado kapton insultado)</td><td></td></tr><tr><td>analizador de gases residuales (RGA)</td><td>SRS</td><td>RGA200</td><td></td></tr><tr><td>turbo bomba</td><td>Agilent</td><td>Twistorr84 FS</td><td></td></tr> válvula totalmente <tr><td>metálica</td><td>KJL</td><td>manual SS Válvulas angulares totalmente metálicas (bridadas CF)</td><td></td></tr><tr><td>Detector de fugas (utilizado como bomba aproximada)</td><td>Medidores</td> de iones <td>Varian PD03</td><td></td></tr> Bomba de iones <tr><td></td><td>Agilent</td><td>UHV-24p</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Bomba Agilent</td><td>VacIon Plus 20</td><td></td></tr><tr><td>NEG</td><td>SAES Getters</td><td>CapaciTorr D400</td><td></td></tr><tr><td>octágono esférico</td><td>Kimball Physics</td><td>MCF600-SphOct-F2C8</td><td></td></tr><tr><td>Zócalo ZIF</td><td>Tactic Electronics</td><td>N/P 100-4680-002A</td><td></td></tr><tr><td>pasos de múltiples pines</td><td>Accu-Glass</td><td>6-100531</td><td></td></tr><tr><td>25 adaptadores D-sub género</td><td>Accu-Glass</td><td>104101</td><td></td></tr><tr><td>Ventana gráfica empotrada</td><td>Culham Centre for Fusion Energy</td><td>100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Pedido personalizado)Material del</td> <td>disco: 60cv Sílice fundida 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td></tr><tr><td>Revestimiento AR</td> <td>de ventana gráfica empotradaLaserOptik</td><td>AR355nm/0-6&deg; HT370-650nm/0-36&deg; en UHV (pedido personalizado)</td><td>El recubrimiento AR se realizó en medio de la fabricación de la ventana gráfica empotrada</td></tr><tr><td>Convertidor digital-analógico</td><td>AdLink</td><td>PCIe-6216V-GL</td><td></td></tr><tr><td>Láser de 369,5 nm</td><td>Toptica</td><td>TA-SHG Pro</td><td></td></tr><tr><td>Láser de 369,5 nm</td><td>Moglabs</td><td>ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC</td><td></td></tr><tr><td>Láser de 399 nm</td><td>Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>Láser</td> <td>de 935 nmLos</td> cables de conexión coherentes NUV-320-K1 de fibra óptica Toptica <td>DL 100</td><td></td></tr> de <tr><td>369,5 nm y 399 nm</td><td></td><td></td><td>están conectorizados por conexiones costeras.</td></tr><tr><td>Fibra óptica de 935 nm</td><td>GouldFiber Optics</td><td>PSK-000626</td><td>Divisor de haz de fibra 50/50 hecho de fibra monomodo Corning HI-780 para combinar 935 nm y 638 nm juntos.</td></tr><tr><td>Medidor de longitud de onda</td><td>High Finesse</td><td>WSU-2</td><td></td></tr><tr><td>espejo temporal</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Espejo dicroico</td><td>Semrock</td><td>FF647-SDi01-25x36</td><td></td></tr><tr><td>Colimador de 369,5 nm y 399 nm</td><td>Micro Laser Systems</td><td>FC5-UV-T/A</td><td></td></tr><tr><td>935 nm colimador</td><td>Sch&auml; fter + Kirchhoff</td><td>60FC-0-M8-10</td><td></td></tr><tr><td>Lente de enfoque de 369.5nm</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-77.3-UV-355-399</td><td>Distancia focal: ~ 163 mm @ 369.5 nm</td></tr><tr><td>Lente de enfoque de 399 nm y 935 nm</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-64.4-UV-355-399</td><td>Distancia focal: ~ 137 mm @ 399 nm, ~ 143 mm @ 935 nm</td></tr><tr><td></td><td>lente de imagen Photon Gear</td><td>P / N 15470</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm filtro de paso de banda</td><td>Semrock</td><td>FF01-370/ 6-25</td><td></td></tr><tr><td>399nm filtro de paso de banda</td><td>Semrock</td><td>FF01-395/11-25</td><td></td></tr><tr><td>filtro IR</td><td>Semrock</td><td>FF01-650/SP-25</td><td></td></tr><tr><td>Cámara EMCCD</td><td>Andor Technology</td><td>DU-897U-CS0-EXF</td><td></td></tr><tr><td>PMT</td><td>Hamamatsu</td><td>H10682-210</td><td></td></tr></tbody></table>

métodos experimentales para atrapar iones usando recientemente trampas de iones de la superficie

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Iones atrapados en un cuadrupolo, trampa de Paul se han considerado uno de los fuertes candidatos físicos para implementar el procesamiento de la información cuántica. Esto es debido a su tiempo largo de coherencia y su capacidad para manipular y detectar bits individuales cuánticos (qubits). En los últimos años, trampas de iones superficiales recientemente han recibido más atención para las plataformas de qubit integrado a gran escala. Este trabajo presenta una metodología de microfabricación para trampas de iones con tecnología de sistemas micro electromecánicos (MEMS), incluyendo el método de fabricación de una capa dieléctrica μm de espesor y metal 14 proyección estructuras encima de la capa dieléctrica. Además, un procedimiento experimental para la captura de iterbio (Yb) iones del isótopo 174 (174Yb+) usando 369.5 nm, 399 nm, y láseres de diodo de 935 nm se describe. Estas metodologías y procedimientos implican muchas disciplinas científicas y de ingeniería, y en primer lugar se presenta los procedimientos experimentales detallados. Los métodos tratados en este trabajo se pueden extender fácilmente a la captura de iones Yb del isótopo 171 (171Yb+) y a la manipulación de qubits.

La figura 7 muestra el análisis micrográficos (SEM) del chip fabricado de trampa de iones. Los electrodos RF, interno DC electrodos, electrodos DC externos y ranura de carga fueron fabricados con éxito. El perfil de la pared lateral del Pilar dieléctrico se convirtió en irregular porque el óxido PECVD fue depositado en varios pasos. Los pasos múltiples de la deposición se utilizaron para minimizar los efectos de la tensión residual de películas de óxido gruesa. Esto se describe en la discusión.

La figura 8 muestra la imagen EMCCD de cinco 174Yb+ iones atrapados usando la viruta de trampa de iones recientemente. Los iones atrapados pueden durar más de 24 h con Doppler continuo enfriamiento. El número de iones atrapados puede ajustarse entre 1 y 20 por cambiar la configuración de voltaje de DC aplicada. Este montaje experimental es muy fiable y robusto y en la actualidad ha estado en operación durante 50 meses.
La figura 9 muestra el transporte de iones atrapados a lo largo de la dirección axial. La posición de ion en la Figura 9b es desplazada desde en la Figura 9a con el ajuste de la posición de mínimo potencial DC cambiando el voltaje de CC.
La figura 10 muestra los resultados preliminares de experimentos de oscilación de Rabi con un ión de Yb+ 171. Para obtener los resultados, se usaron las configuraciones adicionales descritas en el Documento complementario . Los resultados se incluyeron para mostrar una posible aplicación de la disposición experimental explicada en este artículo.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Figura 1: esquema de la trampa de iones superficial. (a) el rojo puntos representa los iones atrapados. Los electrodos de marrón y amarillo indican los electrodos de RF y DC, respectivamente. Las flechas grises indican la dirección del campo eléctrico durante la fase positiva de la tensión de RF. Tenga en cuenta que el esquema no está dibujado a escala. Dimensiones (b) la vertical de la estructura del electrodo. Dimensiones (c) el lateral de la estructura del electrodo. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Figura 2: Simplificar diagramas de nivel de energía de un ion de Yb+ 174y un átomo neutro 174del Yb. (a) cuando un 369.5 nm láser se desintoniza al lado rojo (menor frecuencia) de la resonancia, una transición ciclismo entre 2P1/2 y 2S1/2 reduce la energía cinética de los iones por el Doppler efecto. Ocasionalmente, un cociente de ramificación pequeño pero finito hace el decaimiento del electrón 2P1/2 a 2D3/2, y un láser 935 deba regresar el electrón a la transición de ciclismo principal. El electrón también puede decaer en un estado de7/2 2F una vez por hora, en promedio y un 638 nm láser de la bomba fuera del estado de7/2 2F, pero esto no es necesario para un sistema simple de38. Los valores en la notación de ket representan las proyecciones de los ímpetus angulares total J a lo largo de la cuantización eje mJ. (b) para ionizar átomos neutrales se evaporó del horno, un proceso de absorción de dos fotones fue usado39. Un 399 láser había excitado un electrón al estado de1 1P, y el fotón nm 369.5 para enfriamiento Doppler tenía más energía que la necesaria para quitar el electrón excitado del ion. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Figura 3: flujo de proceso de fabricación de una trampa de iones superficial. (un) termal oxidación a crecer un 5.000 Å de espesor de SiO2 capa y LPCVD de una capa de 2.000 Å de espesor Si3N4 . (b) aguafuerte de la deposición y el ICP de una capa de Al pulverización 1,5 μm de espesor. (c) la deposición de una 14 μm de espesor SiO2 la capa en los ambos lados de la oblea mediante procesos PECVD. (d) patrones de la 14 μm de espesor de SiO2 capa depositada en la parte frontal de la oblea mediante un proceso RIE (e) patrón de la capa de2 14 μm de espesor SiO depositado en la parte trasera de la oblea mediante un proceso RIE. (f) la deposición de un 1.5 μm espesor escupió Al capa y otra 1 μm de espesor PECVD SiO2 . (g) proceso de modelar de la 1,5 μm de espesor mediante un proceso ICP y 1 μm de espesor SiO2 utilizando un RIE. (h) patrones de la capa de2 14 μm de espesor SiO depositan en la parte frontal de la oblea mediante un proceso RIE. () proceso de modelar de la 5.000 Å de espesor de SiO2 y 2.000 Å de espesor Si3N4 utilizando un RIE. (j) DRIE del sustrato de silicio 450 μm de la parte trasera de la oblea. (k) grabado mojado de la capa de SiO2 en los electrodos de Al y las paredes laterales de los pilares del dieléctricos. (l) penetración del sustrato de silicio de la parte delantera a través de un proceso DRIE. Tenga en cuenta que los esquemas no se dibujan a escala. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Figura 4: ejemplo de la tensión DC set usado para atrapar los iones a. Pueden compensar las tensiones aplicadas a los rieles interiores para el campo eléctrico asimétrico en sentido horizontal a la inclinación de los ejes principales del potencial total en el plano transversal. La frecuencia de la trampa axial generada por el sistema de tensión fue 550 kHz. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Página de ether.Within = "1" &gt;<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Figura 5: esquema de la configuración óptica. Tres láseres de diodo están alineados para superponer en la posición de captura. Visión ahuecado de la cámara UHV permite la proyección de imagen lente para colocarse lo más cerca posible de la viruta de la superficie. Un flip-espejo colocado entre la lente de proyección de imagen y la EMCCD permite el monitoreo selectivo de la fluorescencia de iones mediante un tubo del fotón multiplicado (PMT) o un EMCCD. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Figura 6: imágenes de la configuración óptica construida. (a) A la bobina se enrolla alrededor de la vista frontal de la cámara para generar un campo magnético, que puede romper los niveles de energía degenerados de iones de iterbio. (b) la configuración óptica para el manejo de los 399 nm y 935 nm vigas. Las líneas rojas y verdes indican la trayectoria de la viga de los 935 nm y 399 nm, láser respectivamente. (c) la configuración de la proyección de imagen de sistema, incluyendo flip-mirror, la lente de proyección de imagen, el EMCCD y el dto. El camino de la fluorescencia emitida por los iones atrapados puede determinarse por el espejo de flip. Las flechas verdes y blancas, indicar el camino de la fluorescencia monitoreados por el EMCCD y lo PMT, respectivamente. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Figura 7: resultados de la fabricación de la trampa de iones superficial. (a) Resumen de la disposición de la viruta. (b) una vista magnificada de la disposición de la viruta, que muestra los múltiples electrodos de DC externos. (c) una vista ampliada del diseño de viruta, que muestra la ranura de carga. vista (d) una sección transversal de la región de captura antes de penetrar en la ranura de carga. vista (e) una sección transversal de la región de captura después de penetrar la ranura de carga. (f) A magnifica vista transversal de la columna de óxido. Los pilares de óxido han dentadas paredes, y la longitud de la proyección no es suficiente, que se atribuye a la tasa de etch no uniforme de SiO2 en las interfaces entre el depositado por separado 3,5 μm de espesor SiO2 . (g) A la vista superior de un cojín de alambre de la vinculación de un electrodo de CC. (h) A vista transversal de una vía. Perfiles inclinados la pilares de óxido permiten la conexión del electrodo de la DC y la capa de tierra durante la deposición de la capa de en la pared lateral del Pilar óxido en vez de llenar la vía los agujeros con un proceso de galvanoplastia. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Figura 8: imagen de un EMCCD de cinco iones de Yb+ 174atrapados en el chip de trampa de iones microfabricated. La imagen de la estructura de electrodo de superficie de la trampa fue tomada por separado, y las imágenes de los iones atrapados y de los electrodos se combinaron para mayor claridad. La leyenda de intensidad sólo se aplica a los píxeles en el cuadro. La flecha gruesa muestra la trayectoria de la viga de la 369.5 láser y las flechas finas representan los componentes x y z del ímpetu del fotón. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Figura 9: ajuste del potencial de los iones atrapados en una cadena lineal axial. (a) siete iones en el centro de la trampa. (b) los iones eran transportes decenas de micrómetros. (c) la cadena ion exprimido en la dirección axial. Esta figura es mejor vista como una película, que es cargada por separado. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Figura 10: Resultados experimentales de oscilaciones de Rabi entre el | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> y | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Estados. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> se define como las 2S1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> estado del ion 171Yb+ , y | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> se define como las 2S1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> estado. La oscilación de Rabi es inducida por microondas de 12,6428 GHz. Esferas de Bloch sobre la trama de mostrar los estados cuánticos correspondientes en diferentes momentos. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Documento complementario: <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este documento.</a>

Este trabajo presenta una metodología de microfabricación para superficie trampas de iones, así como un procedimiento experimental detallado para los iones del iterbio reventado en un ambiente de temperatura.

Métodos experimentales para atrapar iones usando recientemente trampas de iones de la superficie

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

El objetivo general de este procedimiento es preparar y demostrar un montaje experimental para atrapar iones de iterbio que incluye un chip microfabricado. La tecnología de trampas de iones ha sido considerada como uno de los principales candidatos para la implementación física del procesamiento de información cuántica. Este procedimiento proporciona los protocolos detallados para microfabricar un chip atrapador, así como para construir un montaje experimental que permita atrapar iones utilizando el chip de trampa microfabricado.Los sistemas de trampas de iones desarrollados mediante la tecnología de microfabricación ofrecen un gran potencial para el procesamiento de información cuántica y la computación cuántica. Y los protocolos presentados aquí guiarán a través del proceso de fabricación y del montaje de experimentos con trampas de iones. La demostración visual de este método es fundamental porque requiere la coordinación de diversos componentes, como láseres, sistemas de imagen, una cámara de vacío, electrónica y microfabricación.Para realizar el experimento, primero es necesario fabricar el chip de trampa de iones de superficie. Este es un ejemplo de un chip montado en un portador que se utiliza en esta demostración. Las características del chip se representan en este esquema, que incluye una ranura de carga, a través de la cual se introducen átomos neutros.A ambos lados de la ranura de carga, hay electrodos de radiofrecuencia para confinar iones en direcciones perpendiculares a la ranura. Voltajes de corriente continua en los electrodos externos confinan iones a lo largo de esta ranura. Voltajes de corriente continua en los electrodos internos ayudan a inclinar el eje principal del potencial total.Para el experimento, monte el chip empaquetado en una cámara de ultra alto vacío. En este caso, el chip se encuentra en el centro de una cámara esférica octogonal. Los elementos del sistema de ultra alto vacío se representan en esta vista esquemática general.La bomba iónica y el getter no evaporativo pueden alcanzar presiones por debajo de 3 x 10 a la 11.ª Torr. El octágono esférico incluye un horno flotado con los átomos de iterbio. El octágono esférico está representado en el centro de este esquema del conjunto óptico final.El chip microfabricado se encuentra en el centro del octágono. Las conexiones pasantes permiten las conexiones eléctricas a los electrodos del chip dentro del horno del octágono. Los elementos ópticos están dispuestos de manera que tres láseres de diodo producen haces que se superponen en la posición de atrapamiento. Una ventana de visualización empotrada en el octágono esférico permite que una lente de imagen se coloque cerca de la superficie del chip. Observe la superficie del chip con una cámara CCD de multiplicación electrónica. Conecte los cables multicanal a un convertidor digital a analógico.Conecte el otro extremo de los cables multicanal a las conexiones pasantes del octógono esférico. Además, realice las conexiones pasantes adecuadas a un resonador helicoidal. A continuación, trabaje con el resonador, un analizador de espectros y un acoplador direccional.Conecte la salida del generador de RF a la salida del acoplador direccional. Luego conecte la entrada del resonador con el puerto de entrada del acoplador direccional. Conecte el puerto acoplado directo a la entrada de RF del analizador de espectros.Termine el puerto acoplado inverso con una resistencia de 50 ohmios. Ahora, prepárese para ajustar la tapa del resonador helicoidal. Establezca la posición de la tapa del resonador helicoidal y luego escanee las frecuencias del generador para identificar la frecuencia a la cual la reflexión es mínima.Continúe ajustando el resonador mediante la regulación de la posición de la tapa. Mientras tanto, supervise el escaneo de frecuencia para encontrar la frecuencia del mínimo global de la potencia reflejada. Al encontrar el mínimo global, fije la posición de la tapa del resonador.Apague el generador de RF antes de continuar. Para continuar, asegúrese de que todos los láseres estén colocados, estabilizados y bloqueados por seguridad. Desbloquee el láser de 369.5 nanómetros y colime el haz.El haz debe propagarse hacia el chip atrapado. Alinee el haz paralelo al chip y casi tocando su superficie. Utilice una tarjeta de haz, colocada opuesta al punto de entrada del haz para probar la alineación; una mancha redonda indica que el haz no se refleja en ninguna superficie.A continuación, monte una lente de enfoque sobre una plataforma de traslación. Coloque la lente de manera que enfoque el haz cerca del potencial de atrapamiento, manteniéndolo aún paralelo a la superficie del chip. Pase a trabajar con la óptica de formación de imágenes.Seleccione una lente de imagen con alta apertura numérica montada sobre una etapa de traslación. Coloque esto frente a la ventana empotrada de la cámara de ultra alto vacío. Esta es una vista esquemática del montaje con la lente de imagen en su lugar.A continuación, alinee el haz láser de modo que haya algo de dispersión desde la superficie del chip. Utilice una tarjeta de haz como antes para verificar que el haz esté parcialmente bloqueado. Proceda a colocar la tarjeta de haz cerca del plano de la imagen del lente de formación de imagen.Ajuste la posición del lente de imagen con una etapa de traslación. La nueva posición debe permitir que la luz dispersada produzca una imagen nítida en la tarjeta de haz. Ahora, coloque un CCD de multiplicación electrónica en la etapa de traslación en el plano de imagen del lente.Coloque un filtro de paso de banda delante del CCD para bloquear la luz de fondo. Los electrodos deben ser visibles utilizando el CCD y el conjunto de lentes. A continuación, alinee el haz verticalmente para que atraviese el potencial de trampa.Luego, supervise el haz y muévalo hacia la superficie de la trampa. Suponga una dispersión máxima del haz, lo que indica que el centro del haz está sobre la superficie del chip. Ahora, utilice la etapa de traslación del objetivo para mover el haz hasta la altura esperada del potencial de atrapamiento.Después de ese ajuste, mueva las etapas de traslación del lente de imagen y del CCD hacia atrás la misma distancia y anote la posición. Esta es la vista esquemática del sistema en este momento. El haz pasa a través de la posición esperada de la trampa.Continúe después de desbloquear los otros dos láseres y comience a alinearlos. Reemplace el filtro de paso de banda delante del CCD con un filtro de paso de banda de 399 nanómetros. Luego, ajuste la posición del lente de imagen y del CCD para enfocar los electrodos en el CCD.Alinee el haz colimado de 399 nanómetros para que entre en la cámara de vacío, propagándose en dirección opuesta al haz de 369,5 nanómetros y superponiéndose a este. Introduzca un espejo y un espejo dicróico para combinar los dos haces de modo que se propaguen conjuntamente dentro de la cámara. Para pruebas, agregue temporalmente un espejo al trayecto del haz antes de la cámara y verifique la superposición de los haces mediante un perfilador de haces.Introduzca una lente de enfoque en una etapa de traslación en la trayectoria del haz entre el espejo dicróico y los espejos temporales. Utilice el perfilador de haces para verificar el enfoque de los dos haces. En este caso, los dos láseres no están enfocados en el mismo punto, como debería ser.Finalmente, alinee el láser de 935 nanómetros para hacer coincidir los haces láser. Una vez hecho esto, retire el espejo temporal y asegúrese de que el haz de 399 nanómetros pueda observarse en el CCD. Alinee verticalmente el haz con la posición esperada de la trampa y luego mueva el haz hacia el chip.Observe la imagen del CCD y asocie la intensidad máxima de la luz dispersada con el centrado del haz sobre la superficie del chip. Luego, mueva el haz desde la superficie hasta la posición esperada de la trampa. A continuación, mueva hacia atrás la lente de formación de imagen y el CCD la misma distancia.Luego, ajuste el láser de 399 nanómetros cerca de la transición adecuada del iterbio 174. Monitoree la imagen de la CCD mientras se enciende el horno con iterbio y se incrementa la corriente. Haga esto mientras barre el láser a través de la resonancia del iterbio, para identificar el inicio de la evaporación, observando la fluorescencia.Observe el valor actual justo antes de la fluorescencia y apague el horno. Realice los preparativos finales para atrapar los iones. Regrese al filtro de paso de banda en el CCD y sustitúyalo por un filtro de paso de banda de 369,5 nanómetros.Además, ajuste las posiciones del CCD y del lente de imagen para el enfoque de 368,5 nanómetros. Establezca los voltajes para el convertidor digital a analógico que controla los electrodos. Luego, diríjase al generador de RF conectado al resonador helicoidal.Encienda el generador en una configuración de potencia muy baja y aumente gradualmente la potencia de salida. En la computadora de control del láser, ajuste las frecuencias del láser y la fuente de corriente del horno a sus valores adecuados. Después de unos minutos, bloquee brevemente el láser de 935 nanómetros durante uno o dos segundos para iniciar una prueba de atrapamiento.Observe la trampa con el CCD. Si los iones están atrapados, la tasa de dispersión disminuye significativamente y la imagen se ve notablemente afectada. Bloquee el láser varias veces para verificar que el bloqueo se correlaciona con los cambios en la imagen.Una vez que los iones están atrapados, apague el horno. Esta composición de imágenes de CCD de multiplicación electrónica sugiere la ubicación de cinco iones de iterbio 174 1+ atrapados en un chip de trampa de iones microfabricado. La cantidad de iones atrapados puede variarse modificando los voltajes de corriente continua aplicados.En este video de iones atrapados, los iones se manipulan variando los voltajes de corriente continua de la trampa. En este video se presentaron los protocolos para fabricar trampas de iones de superficie y atrapar iones del isótopo de iterbio 174. Este procedimiento puede extenderse fácilmente para atrapar iones de iterbio del isótopo 171 y manipular la etapa cúbica, avanzando finalmente hacia el procesamiento de información cuántica y la computación cuántica.

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Investigación

JoVE Journal

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Ingeniería

En este artículo se presenta un método basado en microfluídica para el confinamiento de partículas basado en el flujo hidrodinámico. Demostramos atrapando partículas estables en un punto de estancamiento de líquido mediante un mecanismo de control de retroalimentación, lo que permite el confinamiento y la micromanipulación de partículas arbitrarias en un microdispositivo integrado.

Una de microfluidos basada en hidrodinámica trampa para las partículas individuales

Isotachophoresis (ITP) es una separación sólida electrocinético y técnica de preconcentración con aplicaciones que van desde la detección de la toxina a la preparación de la muestra. Se revisan los principios físicos de la PTI y la metodología de aplicación de esta técnica a dos ejemplos de aplicaciones específicas: la separación y detección de moléculas pequeñas y purificación de ácidos nucleicos a partir de lisado de cultivo celular.

El chip Isotachophoresis para separación de iones y purificación de ácidos nucleicos

Los detalles de configuración siguientes enfoque captura de baja potencia óptica de las nanopartículas con un dieléctrico doble nanohole en la película de metal.

Trampas ópticas de las nanopartículas

Aterrizaje suave de los iones de masa-seleccionada sobre las superficies es un enfoque poderoso para la preparación altamente controlada de nuevos materiales. Junto con el análisis por espectrometría de masas de iones secundarios situ (SIMS) y espectroscopía de absorción reflexión infrarroja (IRRAS), aterrizaje suave proporciona una visión sin precedentes en las interacciones de las especies bien definidas con las superficies.

In Situ SIMS y espectroscopia IR de superficies bien definidas Preparado por Soft Landing de iones seleccionados-Mass

Los transportadores en las membranas celulares permiten la segregación diferencial de iones a través de las membranas celulares o capas celulares y desempeñan un papel crucial durante la fisiología, reparación y patología de los tejidos. Describimos el microelectrodo autorreferencial selectivo de iones que permite la medición de flujos de iones específicos en células individuales y tejidos in vivo.

Medición de la extracelular Ion fundentes Uso del referencias Ion selectivo microelectrodos Técnica

Aquí, describimos la fabricación y operación de un sistema microfluídico de doble capa hecho de polidimetilsiloxano (PDMS). Demostramos el potencial de este dispositivo para atrapar, dirigir la vía de coordinación de un material molecular cristalino y controlar las reacciones químicas en las estructuras atrapadas en el chip.

Jaulas neumáticas de microfluidos: Un nuevo enfoque para In-chip de cristal reventado, manipulación y tratamiento químico controlado

Se presenta un protocolo para lanzar y atrapar de manera estable micropartículas dieléctricas seleccionadas en el aire.

Cargando óptica Trampa de micropartículas en dieléctrica del aire

Un proceso de fabricación de microchip que incorpora pinzas plasmónica se presenta aquí. El microchip permite la obtención de imágenes de una partícula atrapada para medir fuerzas de captura máximas.

Plasmónica la captura y liberación de nanopartículas en un entorno de monitorización

Se describe el protocolo para una plataforma novela polarización de la concentración de iones (ICP) que puede detener la propagación de la zona de ICP, independientemente de las condiciones de funcionamiento. Esta capacidad única de la plataforma se encuentra en el uso de la fusión de agotamiento de iones y el enriquecimiento, que son dos polaridades del fenómeno ICP.

La fusión de polarización de la concentración de iones entre yuxtapuestas Las membranas de intercambio iónico para bloquear la propagación de la Zona de Polarización

Este protocolo describe la iontoforesis en tiempo real, un método que mide los parámetros físicos del espacio extracelular (ECS) de los cerebros vivos. La difusión de una molécula inerte liberada en el ECS se utiliza para calcular la fracción volumétrica de ECS y la tortuosidad. Es ideal para estudiar cambios reversibles agudos en ECS cerebral.

Iontoforesis en tiempo real con tetrametilamonio para cuantificar la fracción de volumen y la tortuosidad del espacio extracelular cerebral

Este artículo describe el método experimental para lograr un atrapamiento estable y de larga duración y una posición precisa de grandes partículas metálicas en el aire mediante una trampa fotoforética dinámica con forma de barco. Este sistema permite una manipulación controlada adecuada para estudios de interacción plasmónica.

Atrapar ópticamente grandes partículas metálicas en el aire usando una trampa tipo &#39;barco&#39; con paredes laterales estiradas directamente

Aprende a fabricar trampas de iones de superficie y atrapar iones de iterbio en cámara de ultra alto vacío para procesamiento de información cuántica. Este protocolo experimental detalla la construcción del chip microfabricado y la alineación óptica necesaria.

Métodos experimentales para atrapar iones usando recientemente trampas de iones de la superficie

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