Name: Experimentele methoden voor het overlappen van ionen met Microfabricated oppervlak Ion Traps (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: Leer experimentele methoden voor het vangen van ytterbium-ionen met microgefabriceerde oppervlakte-ionenvallen. Dit protocol begeleidt de fabricage van chips en opstelling van vacuümkamers voor quantuminformatieverwerking.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit onderzoek werd slechts gedeeltelijk ondersteund door het ministerie van wetenschap, ICT, en toekomst Planning (MSIP), Korea, onder de informatie technologie Research Center (ITRC) ondersteuning programma (IITP-2017-2015-0-00385) en de ICT-R &#38; D programma (10043464, ontwikkeling van Quantum repeater technologie voor de toepassing op communicatiesystemen), begeleid door het Instituut voor informatie &#38; communicatie technologie promotie (IITP).

<ol><li>Wineland, D. J. <a target="_blank" href="https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/wineland-lecture.pdf">Nobel Lecture: Superposition, entanglement, and raising Schrödinger's cat.</a> Rev Mod Phys. 85 (3), 1103(2013).</li>
<li>Blatt, R., Wineland, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Entangled+states+of+trapped+atomic+ions%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Entangled states of trapped atomic ions.</a> Nature. 453 (7198), 1008-1015 (2008).</li>
<li>Leibfried, D., Blatt, R., Monroe, C., Wineland, D. <a target="_blank" href="http://ai2-s2-pdfs.s3.amazonaws.com/5112/6412c51a24a4b3115332e644722e01aa144d.pdf">Quantum dynamics of single trapped ions.</a> Rev Mod Phys. 75 (1), 281(2003).</li>
<li>Paul, W. <a target="_blank" href="http://iontrap.umd.edu/wp-content/uploads/2013/10/electromagnetic-traps-for-charged-and-neutral-particles-Paul.pdf">Electromagnetic traps for charged and neutral particles.</a> Rev Mod Phys. 62 (3), 531(1990).</li>
<li>Rosenband, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+ratio+of+Al%2B+and+Hg%2B+single-ion+optical+clocks%3B+metrology+at+the+17th+decimal+place%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Frequency ratio of Al+ and Hg+ single-ion optical clocks; metrology at the 17th decimal place.</a> Science. 319 (5871), 1808-1812 (2008).</li>
<li>Dawson, P. H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDawson%2C+PH+%22Quadrupole+mass+spectrometry+and+its+applications%22">Quadrupole mass spectrometry and its applications</a>. , 1st ed, Elsevier. Amsterdam, Netherlands. (2013).</li>
<li>Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+computers%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Quantum computers.</a> Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).</li>
<li>Monz, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Realization+of+a+scalable+Shor+algorithm%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Realization of a scalable Shor algorithm.</a> Science. 351 (6277), 1068-1070 (2016).</li>
<li>Debnath, S., Linke, N. M., Figgatt, C., Landsman, K. A., Wright, K., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Demonstration+of+a+small+programmable+quantum+computer+with+atomic+qubits%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits.</a> Nature. 536 (7614), 63-66 (2016).</li>
<li>Blatt, R., Roos, C. F. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphys/journal/v8/n4/full/nphys2252.html">Quantum simulations with trapped ions.</a> Nature Phys. 8 (4), 277-284 (2012).</li>
<li>Kielpinski, D., Monroe, C., Wineland, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Architecture+for+a+large-scale+ion-trap+quantum+computer%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer.</a> Nature. 417 (6890), 709-711 (2002).</li>
<li>Moehring, D. L., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1105.1834">Design, fabrication and experimental demonstration of junction surface ion traps.</a> New J Phys. 13 (7), 075018(2011).</li>
<li>Wright, K., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1210.3655">Reliable transport through a microfabricated X-junction surface-electrode ion trap.</a> New J Phys. 15 (3), 033004(2013).</li>
<li>Amini, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/12/3/033031/pdf">Toward scalable ion traps for quantum information processing.</a> New J Phys. 12 (3), 033031(2010).</li>
<li>Sterling, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+operation+of+a+two-dimensional+ion-trap+lattice+on+a+high-voltage+microchip%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Fabrication and operation of a two-dimensional ion-trap lattice on a high-voltage microchip.</a> Nat Commun. 5, (2014).</li>
<li>Kumph, M., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1402.0791">Operation of a planar-electrode ion-trap array with adjustable RF electrodes.</a> New J Phys. 18 (2), 023047(2016).</li>
<li>Mielenz, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Arrays+of+individually+controlled+ions+suitable+for+two-dimensional+quantum+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Arrays of individually controlled ions suitable for two-dimensional quantum simulations.</a> Nat Commun. 7, (2016).</li>
<li>Stick, D., Hensinger, W. K., Olmschenk, S., Madsen, M. J., Schwab, K., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphys/journal/v2/n1/full/nphys171.html">Ion trap in a semiconductor chip.</a> Nat Phys. 2 (1), 36-39 (2006).</li>
<li>Harty, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-fidelity+preparation%2C+gates%2C+memory%2C+and+readout+of+a+trapped-ion+quantum+bit%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">High-fidelity preparation, gates, memory, and readout of a trapped-ion quantum bit.</a> Phys Rev Lett. 113 (22), 220501(2014).</li>
<li>Cho, D., Hong, S., Lee, M., Kim, T. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1186/s40486-015-0013-3">A review of silicon microfabricated ion traps for quantum information processing.</a> Micro Nano Sys Lett. 3 (1), 1-12 (2015).</li>
<li>Weidt, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapped-ion+quantum+logic+with+global+radiation+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">Trapped-ion quantum logic with global radiation fields.</a> Phys Rev Lett. 117 (22), 220501(2016).</li>
<li>Monroe, C., Kim, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+the+ion+trap+quantum+processor%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Scaling the ion trap quantum processor.</a> Science. 339 (6124), 1164-1169 (2013).</li>
<li>Brown, K. R., Kim, J., Monroe, C. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/npjqi201634">Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions.</a> npj Quantum Inf. 2, 16034(2016).</li>
<li>Lekitsch, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Blueprint+for+a+microwave+trapped-ion+quantum+computer%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Adv%22%5BJournal%5D)">Blueprint for a microwave trapped-ion quantum computer.</a> Science Adv. 3 (2), e1601540(2017).</li>
<li>Reichel, J., Vuletic, V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aReichel%2C+J+%22Atom+chips%22">Atom chips</a>. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey, USA. (2011).</li>
<li>Ghosh, P. K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGhosh%2C+PK+%22Ion+Traps%22">Ion Traps</a>. ed, ,1st , 1st ed, Oxford Science Publications. Oxford, UK. (1995).</li>
<li>Wesenberg, J. H. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/0808.1623.pdf">Electrostatics of surface-electrode ion traps.</a> Phys Rev A. 78 (6), 063410(2008).</li>
<li>House, M. G. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.78.033402">Analytic model for electrostatic fields in surface-electrode ion traps.</a> Phys Rev A. 78 (3), 033402(2008).</li>
<li>Hong, S., Lee, M., Cheon, H., Kim, T., Cho, D. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Guidelines+for+Designing+Surface+Ion+Traps+Using+the+Boundary+Element+Method%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Guidelines for Designing Surface Ion Traps Using the Boundary Element Method.</a> Sensors. 16 (5), 616(2016).</li>
<li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/0909.3272">Implementation of a symmetric surface-electrode ion trap with field compensation using a modulated Raman effect.</a> New J Phys. 12 (5), 053026(2010).</li>
<li>Chiaverini, J., et al. <a target="_blank" href="http://tf.nist.gov/general/pdf/2019.pdf">Surface-electrode architecture for ion-trap quantum information processing.</a> Quantum Inf Comput. 5 (6), 419-439 (2005).</li>
<li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1105.4864">Heating rate and electrode charging measurements in a scalable, microfabricated, surface-electrode ion trap.</a> Appl Phys B. 107 (4), 913-919 (2012).</li>
<li>Stick, D., et al. Demonstration of a microfabricated surface electrode ion trap. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1008.0990">https://arxiv.org/abs/1008.0990</a> (2010).</li>
<li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1110.1486">Reduction of heating rate in a microfabricated ion trap by pulsed-laser cleaning.</a> New J Phys. 13 (12), 123023(2011).</li>
<li>Mount, E., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1306.1269">Single qubit manipulation in a microfabricated surface electrode ion trap.</a> New J Phys. 15 (9), 093018(2013).</li>
<li>Siverns, J. D., Simkins, L. R., Weidt, S., Hensinger, W. K. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1106.5013">On the application of radio frequency voltages to ion traps via helical resonators.</a> Appl Phys B. 107 (4), 921-934 (2012).</li>
<li>Kleinert, M., Dahl, M. E. G., Bergeson, S. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/1609.02218.pdf">Measurement of the Yb I 1S0−1P1 transition frequency at 399 nm using an optical frequency comb.</a> Phys Rev A. 94 (5), 052511(2016).</li>
<li>Olmschenk, S., Younge, K. C., Moehring, D. L., Matsukevich, D. N., Maunz, P., Monroe, C. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/0708.0657">Manipulation and detection of a trapped Yb+ hyperfine qubit.</a> Phys Rev A. 76 (5), 052314(2007).</li>
<li>Sansonetti, J. E., Martin, W. C., Young, S. L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSansonetti%2C+JE+%22Handbook+of+Basic+Atomic+Spectroscopic+Data%22">Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Data</a>. , National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg, MD, USA. version 1.1.3 (2013).</li>
<li>Kern, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKern%2C+W+%22Thin+film+processes+II%22">Thin film processes II</a>. , 2nd ed, Academic Press. Cambridge, Massachusetts, USA. (2012).</li>
<li>Streed, E. W., Weinhold, T. J., Kielpinski, D. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/0806.1794">Frequency stabilization of an ultraviolet laser to ions in a discharge.</a> Appl Phys Lett. 93 (7), 071103(2008).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Deze paper gepresenteerd een methode voor overvullen ionen met microfabricated oppervlak ion vallen. De bouw van een ion overlapping systeem vereist ervaringen in verschillende onderzoeksgebieden maar eerder niet in detail zijn beschreven. In deze paper wordt gedetailleerde procedures voorzien door microfabricating een val chip alsook wat betreft de bouw van een experimentele opstelling voor het overvullen van ionen voor de eerste keer. Dit papier ook verstrekt gedetailleerde procedures voor overvullen 174Yb+ -ionen en experimenteren met gevangen ionen.
Een belangrijk obstakel geconfronteerd in de procedures van de microfabrication is de afzetting van de diëlektrische laag, met een dikte van meer dan 10 µm. Tijdens de afzetting van de dikke diëlektrische laag, kan resterende stress opbouwen, die kan leiden tot schade aan de diëlektrische film of zelfs breken de wafer. Om de resterende stress, dat over het algemeen druksterkte is, moet een langzame afzetting tarief gebruikte40. In ons geval, werd een drukspanning van 110.4 MPa gemeten met de voorwaarden van de depositie van 540 sccm SiH4 gasstroom, 140 W van RF power en 1.9 Torr druk op 5-µm laagdikte. Deze proces-voorwaarden evenwel alleen een ruwe verwijzing, omdat deze voorwaarden aanzienlijk voor verschillende apparatuur variëren kunnen. Ter beperking van de gevolgen van de opgehoopte spanning, werden 3,5 µm dik SiO2 films gestort alternatingly aan beide zijden van het zegel in de onderhavige methode. De benodigde dikte van de diëlektrische laag kan worden verminderd als een kleinere RF spanning amplitude en vandaar een ondieper val diepte is gekozen. Een ondieper val diepte leidt echter gemakkelijk tot het ontsnappen van gevangen ionen, waardoor de fabricage van dikkere diëlektrische lagen, die bestand zijn tegen hogere RF spanningen, meer wenselijk is.
Er zijn enkele beperkingen aan de fabricage methode gepresenteerd in dit document. De lengtes van de overhangen volstaan niet om volledig verbergen de diëlektrische zijwanden van de gevangen ionen, zoals weergegeven in figuur 7f. Bovendien zijn de zijwanden van de oxide pijlers gekarteld, verhoging van het blootgestelde gebied van de diëlektrische zijwanden ten opzichte van de verticale oxide pijler. In het geval van de zijwand van de innerlijke DC spoor in de buurt van de sleuf laden met een uniforme overstek van 5 µm, wordt bijvoorbeeld berekend dat 33% van het niet-geleidend oppervlak wordt blootgesteld aan de gevangen ion-positie van de verticale zijkant aangegeven spanningsindex. In het geval van gekarteld-rand, is meer dan 70% van de oppervlakte van de zijwand blootgesteld. De resultaten van deze niet-ideale fabricage extra verdwaalde velden uit de blootgestelde diëlektrica kunnen veroorzaken, maar de effecten zijn niet kwantitatief gemeten. De verzonnen chip zoals gerapporteerd hierboven is echter met succes gebruikt in ion overlapping en qubit manipulatie experimenten. Bovendien heeft de chip van de trap gepresenteerd in deze paper silicon zijwanden in de buurt van de sleuf laden blootgelegd. Native oxide kan groeien op de oppervlakken van silicium en kan resulteren in extra verdwaalde velden. Daarom is het aanbevolen om bescherming van het substraat van silicium met een extra metalen laag, net als in33.
Voor het overvullen van 174Yb+ ionen, de frequenties van de lasers binnen enkele tientallen MHz moeten worden gestabiliseerd, en een paar verschillende methoden worden besproken in geavanceerde opstellingen38,41. Echter, voor de eenvoudige configuratie in dit Groenboek besproken eerste overlapping is mogelijk alleen met stabilisatie met behulp van een golflengte meter.
Dit document verstrekt een protocol voor het overvullen van 174Yb+ ionen met behulp van een microfabricated oppervlak ion-trap chip. Hoewel het protocol voor het overlappen van 171Yb+ ionen is niet specifiek aan de orde, kan de experimentele opstelling in dit artikel wordt beschreven ook worden gebruikt voor de overlapping van 171Yb+ ionen en te manipuleren de qubit staat van de 171 Yb+ ionen Rabi trilling om resultaten te verkrijgen (Zie Figuur 10). Dit kan worden gedaan door het toevoegen van verschillende optische modulatoren op de uitgang van de lasers en met behulp van een magnetron setup, zoals beschreven in het Aanvullend Document.
Kortom, kunnen de experimentele methoden en de resultaten gepresenteerd in dit document worden gebruikt om verschillende quantum informatietoepassingen met behulp van oppervlakte ion vallen te ontwikkelen.

Een val van Paul geladen deeltjes, met inbegrip van ionen in de lege ruimte, met behulp van een combinatie van een statische elektrische veld en een wisselende veldsterkte oscillerende op radiofrequentie (RF), kan beperken en de kwantumtoestanden van de ionen in de val opgesloten kan worden gemeten en gecontroleerd1,2,3. Die ion vallen waren oorspronkelijk ontwikkeld voor nauwkeurige meting, met inbegrip van optische klokken en massaspectrometrie4,5,6. In de afgelopen jaren hebben deze ion vallen ook actief onderzocht als een fysieke platform om de quantum informatieverwerking aan de wenselijke kenmerken van gevangen ionen, zoals lange samenhang times, ideale isolatie in een ultra-hoge toegeschreven vacuüm (UHV) omgeving, alsmede de uitvoerbaarheid van individuele qubit manipulatie7,8,9,10. Sinds Kielpinski et al. 11 voorgesteld een schaalbare ion-trap-architectuur die kan worden gebruikt voor het ontwikkelen van quantum computers, verschillende soorten oppervlak vallen, met inbegrip van junction vallen12,13, multi-zone val chips14en 2D-matrix traps15,16,17, zijn ontwikkeld met behulp van halfgeleider proces afkomstige microfabrication methoden18,19,20,21 . Grootschalige quantum informatieverwerkingssystemen gebaseerd op het oppervlak vallen ook zijn besproken22,23,24.
Dit document stelt experimentele methoden voor overvullen ionen met microfabricated oppervlak ion vallen. Meer in het bijzonder, een procedure voor het fabriceren van oppervlakte ion vallen en een gedetailleerde procedure voor overvullen ionen met behulp van de gefabriceerde vallen worden beschreven. Daarnaast vindt u gedetailleerde beschrijvingen van diverse praktische technieken voor het opzetten van het experimentele systeem en overvullen van ionen in het Aanvullend Document.
De methodologie voor microfabricating een oppervlakte ion trap wordt gegeven in stap 1. Figuur 1 toont een vereenvoudigde schema van een oppervlakte ion trap. De elektrische velden die worden gegenereerd door de spanning toegepast op de elektroden op het dwarsvlak staan ook25. Een RF-spanning wordt toegepast op het paar van RF de elektroden, terwijl alle andere elektroden worden gehouden op RF ground; de ponderomotive potentiële26 gegenereerd door de RF-spanning beperkt de ionen op de radiale richting. De spanning van de gelijkstroom (DC) toegepast op de elektroden van de meerdere DC buiten de RF-elektroden beperken de ionen op de lengterichting. De innerlijke rails tussen de RF-elektroden zijn ontworpen om te helpen met het kantelen van de belangrijkste assen van het totale potentieel in het dwarsvlak. De methodologie voor het ontwerpen van een set van DC spanning is in het Aanvullend Documentopgenomen. Meer details voor het ontwerpen van de essentiële geometrische parameters voor oppervlakte ion-trap chips kunnen daarnaast worden gevonden in27,28,29,30,31.
De fabricage methode ingevoerd in stap 1 is ontworpen gelet op de volgende aspecten. Ten eerste moet de diëlektrische laag tussen de laag van de elektrode en de grond voldoende dik om te voorkomen dat elektrische verdeling tussen de lagen. In het algemeen moet de dikte over 10µm. Tijdens de afzetting van de dikke diëlektrische laag kan de resterende stress uit de gedeponeerde films buigen van het substraat of de schade aan de gedeponeerde films. Dus, beheersing van de resterende stress is één van de belangrijkste technieken in de fabricage van de oppervlakte ion vallen. Ten tweede moet de blootstelling van de diëlektrische oppervlakken naar de positie van de ion worden geminimaliseerd, omdat verdwaalde heffingen op de niet-geleidend materiaal kunnen worden opgewekt door verspreide ultraviolette (UV) lasers, die in de resultaten van de draai in een willekeurige verschuiving van ion positie. De blootgestelde gebied kan worden verminderd door het ontwerpen van de overhang elektrode structuren. Er werd gemeld dat ion traps met elektrode overhangen resistent zijn tegen het opladen in typische experimentele omstandigheden32oppervlak. Derde, alle materialen, met inbegrip van diverse gedeponeerde films, moeten kunnen weerstaan van 200 ° C bakken voor ongeveer 2 weken, en het bedrag van de explosieve uit alle materialen moeten verenigbaar zijn met UHV omgevingen. Het ontwerp van de oppervlakte ion-trap chips microfabricated in dit document is gebaseerd op het ontwerp van de val van33, die met succes in verschillende experimenten32,33,34, gebruikt werd 35. opmerking dat dit ontwerp een sleuf in het midden van de chip bevat voor het laden van neutrale atomen, die later zijn foto-geïoniseerd voor overvulling.
Na de fabricage van de ion-trap-chip, is de chip gemonteerd en elektrisch verbonden met de chip vervoerder met gouden hechting draden. De chip vervoerder wordt vervolgens geïnstalleerd in een UHV kamer. Een gedetailleerde procedure voor het voorbereiden van een pakket van de spaander val en het ontwerp van de UHV kamer vindt u in het Aanvullend Document.
Voorbereiding van de optische en elektrische apparatuur, alsmede de experimentele procedures voor overvullen ionen, worden toegelicht in detail in stap 2. De ionen gevangen door de potentiële ponderomotive zijn over het algemeen onderworpen aan de schommelingen van de omliggende veldsterkte, die voortdurend de gemiddelde kinetische energie van de ionen stijgt. Laser koeling op basis van Doppler shift kan worden gebruikt voor het verwijderen van de overtollige energie uit de beweging van de ionen. Figuur 2 toont de vereenvoudigde energieniveau diagrammen voor een 174Yb+ -ion en een neutrale 174Yb-atoom. Doppler koeling van 174Yb+ ionen vereist een laser 369.5-nm en een laser 935-nm, terwijl foto-ionisatie van neutrale 174Yb atomen een 399-nm laser vereist. Stap 2.2 en 2.3 beschrijven een efficiënte methode voor het uitlijnen van deze lasers aan de oppervlakte ion-trap-chip en een procedure om te vinden van de juiste voorwaarden voor foto-ionisatie. Nadat de optische en elektrische componenten zijn voorbereid, is overvulling ionen relatief eenvoudig. De volgorde van de experimentele voor overvullen ionen wordt gepresenteerd in stap 2.4.

<table><tbody><tr><td>photoresist gebruikt voor 2-&mu;m spin coating</td><td>AZ Materials</td><td>AZ7220</td><td>Discontinued. Eenvoudig vervangen door een ander alternatief photoresist product.</td></tr><tr><td>photoresist gebruikt voor 6-&mu;m spin coating</td><td>AZ Materials</td><td>AZ4620</td><td>Discontinued. Eenvoudig vervangen door een ander alternatief photoresist product.</td></tr><tr><td>keramische chip carrier</td><td>NTK</td><td>IPKX0F1-8180BA</td><td></td></tr><tr><td>epoxy compound</td><td>Epotek</td><td>353ND</td><td></td></tr><tr><td>Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) systeem</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100</td><td></td></tr><tr><td>Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) systeem</td><td>Centrotherm</td><td>E-1200</td><td></td></tr><tr><td>Furnace</td><td>Seltron</td><td>SHF-150</td><td></td></tr><tr><td>Sputter</td><td>Muhan Vacuum</td><td>MHS-1500</td><td></td></tr><tr><td>Handmatige aligner</td><td>Karl-Suss</td><td>MA-6</td><td></td></tr><tr><td>Deep Si etcher</td><td>Plasma-Therm</td><td>SLR-770-10R-B</td><td></td></tr><tr><td>Inductive coupled plasma (ICP) etcher</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100 Cobra</td><td></td></tr><tr><td>Reactive ion etching (RIE) etcher</td><td>Applied Materials</td><td>P-5000</td><td></td></tr><tr><td>Boundary element method (BEM) software</td><td>CPO Ltd.</td><td>Charged Particle Optics</td><td></td></tr><tr><td>Single crystaline (100) silicon wafer</td><td>STC</td><td>4SWP02</td><td>100 mm / (100) / P-type / SSP / 525&plusmn;25 &mu;m</td></tr><tr><td>metalen buizen</td><td>Mcmaster-carr</td><td>89935K69</td><td>316 roestvrij staal buizen, 0.042" OD, 0.004" Wanddikte</td></tr><tr><td>Yb stuk</td><td>Goodfellow</td><td>YB005110</td><td>Ytterbium draad, zuiverheid 99.9%</td></tr><tr><td>verrijkt 171Yb</td><td>Oak Ridge National Laboratory</td><td>Yb-171</td><td>https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium</td></tr><tr><td>tantalumfolie</td><td>The Nilaco Corporation</td><td>TI-453401</td><td>0.25x130x100mm 99.5%</td></tr><tr><td>Kapton-geïsoleerde koperen draad</td><td>Accu-glass</td><td>18AWG (zilver geplateerde koperen draad kapton geïsoleerd)</td><td></td></tr><tr><td>restgasanalysator (RGA)</td><td>SRS</td><td>RGA200</td><td></td></tr><tr><td>turbopomp</td><td>Agilent</td><td>Twistorr84 FS</td><td></td></tr><tr><td>volledig metalen klep</td><td>KJL</td><td>manuele SS All-Metal hoekkleppen (CF geflanst)</td><td></td></tr><tr><td>lekdetector (gebruikt als ruwe pomp)</td><td>Varian</td><td>PD03</td><td></td></tr><tr><td>ionenmeters</td><td>Agilent</td><td>UHV-24p</td><td></td></tr><tr><td>ionenpomp</td><td>Agilent</td><td>VacIon Plus 20</td><td></td></tr><tr><td>NEG pomp</td><td>SAES Getters</td><td>CapaciTorr D400</td><td></td></tr><tr><td>sferische achthoek</td><td>Kimball Physics</td><td>MCF600-SphOct-F2C8</td><td></td></tr><tr><td>ZIF socket</td><td>Tactic Electronics</td><td>P/N 100-4680-002A</td><td></td></tr><tr><td>multi-pin feedthroughs</td><td>Accu-Glass</td><td>6-100531</td><td></td></tr><tr><td>25 D-sub gender adapters</td><td>Accu-Glass</td><td>104101</td><td></td></tr><tr><td>Ingegraven kijkvenster</td><td>Culham Centre for Fusion Energy</td><td>100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Op maat gemaakt)</td><td>Disc materiaal: 60cv gefuseerde silica 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td></tr><tr><td>Ingegraven kijkvenster AR coating</td><td>LaserOptik</td><td>AR355nm/0-6&deg; HT370-650nm/0-36&deg; op UHV (Op maat gemaakt)</td><td>AR coating werd uitgevoerd in het midden van de fabricage van het ingegraven kijkvenster</td></tr><tr><td>Digitaal-analoog converter</td><td>AdLink</td><td>PCIe-6216V-GL</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm laser</td><td>Toptica</td><td>TA-SHG Pro</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm laser</td><td>Moglabs</td><td>ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC</td><td></td></tr><tr><td>399nm laser</td><td>Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>935nm laser</td><td>Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm &amp; 399nm optische glasvezel</td><td>Coherent</td><td>NUV-320-K1</td><td>Patchkabels worden aangesloten door Costal Connections.</td></tr><tr><td>935nm optische glasvezel</td><td>GouldFiber Optics</td><td>PSK-000626</td><td>50/50 glasvezel bundelsplitser gemaakt van Corning HI-780 single mode glasvezel om 935nm en 638nm samen te combineren.</td></tr><tr><td>Golflengtemeter</td><td>High Finesse</td><td>WSU-2</td><td></td></tr><tr><td>tijdelijke spiegel</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Dichroic spiegel</td><td>Semrock</td><td>FF647-SDi01-25x36</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm &amp; 399nm collimator</td><td>Micro Laser Systems</td><td>FC5-UV-T/A</td><td></td></tr><tr><td>935nm collimator</td><td>Sch&auml;fter + Kirchhoff</td><td>60FC-0-M8-10</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm focuslens</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-77.3-UV-355-399</td><td>Brandpuntsafstand: ~163mm @ 369.5nm</td></tr><tr><td>399nm &amp; 935nm focuslens</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-64.4-UV-355-399</td><td>Brandpuntsafstand: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm</td></tr><tr><td>beeldlens</td><td>Photon Gear</td><td>P/N 15470</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm bandpass filter</td><td>Semrock</td><td>FF01-370/6-25</td><td></td></tr><tr><td>399nm bandpass filter</td><td>Semrock</td><td>FF01-395/11-25</td><td></td></tr><tr><td>IR filter</td><td>Semrock</td><td>FF01-650/SP-25</td><td></td></tr><tr><td>EMCCD camera</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>

experimentele methoden voor het overlappen van ionen met microfabricated oppervlak ion traps

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Ionen gevangen in een vierpolige Paul val hebben beschouwd als een van de sterke fysieke kandidaten om quantum informatieverwerking. Dit is te wijten aan hun lange samenhang tijd en hun vermogen om te manipuleren en individuele quantum bits (qubits) detecteren. In recentere jaren, hebben de microfabricated oppervlakte ion vallen meer aandacht voor grootschalige geïntegreerde qubit platformen gekregen. Deze paper presenteert de methodologie van een microfabrication voor ion vallen met behulp van micro-elektromechanisch (MEMS) systeemtechnologie, met inbegrip van de fabricage methode voor een 14 µm dik diëlektrische laag en metaal overhang structuren bovenop de diëlektrische laag. Bovendien is een experimentele procedure voor het overlappen van ytterbium (Yb) ionen isotoop 174 (174Yb+) met behulp van 369.5 nm, 399 nm, en 935 nm diodelasers wordt beschreven. Deze methoden en procedures omvatten vele wetenschappelijke en technische disciplines, en dit document stelt eerst de gedetailleerde experimentele procedures. De methoden die in dit Groenboek besproken kunnen eenvoudig worden uitgebreid naar de vangst van Yb ionen isotoop 171 (171Yb+) en naar de manipulatie van qubits.

Figure 7 toont de scanning electron microfoto (SEM) van de gefabriceerde ion-trap-chip. De RF elektroden, innerlijke DC elektroden buitenste DC elektroden en laden sleuf werden met succes vervaardigd. Het profiel van de zijwand van de diëlektrische pijler werd gekartelde omdat de PECVD oxide werd afgezet in verschillende stappen. De verschillende stappen van de depositie werden gebruikt om het minimaliseren van de effecten van residuele stress uit dikke oxide films. Dit wordt verder beschreven in de discussie.

Figuur 8 toont het EMCCD beeld van vijf 174Yb+ ionen gevangen met behulp van de chip van de ion-val microfabricated. De gevangen ionen kunnen gedurende meer dan 24 uur duren met continue Doppler koeling. Het aantal gevangen ionen kan tussen 1 en 20 worden aangepast door de toegepaste DC spanning set wijzigt. Deze experimentele opstelling is is zeer betrouwbaar en robuust en momenteel in bewerking 50 maandenlang.
Figuur 9 toont de pendelen van gevangen ionen langs de axiale richting. De positie van de ion in figuur 9b is daaruit ontheemden in de figuur 9a door middel van de aanpassing van de positie van het DC potentiële minimum door het veranderen van de DC-spanningen.
Figuur 10 ziet u voorlopige resultaten van Rabi trilling experimenten met een 171Yb+ -ion. Voor het verkrijgen van de resultaten, werden de extra opstellingen beschreven in het Aanvullend Document gebruikt. De resultaten waren opgenomen om te laten zien van een mogelijke toepassing van de experimentele opstelling in dit document uitgelegd.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Figuur 1: schematische van de oppervlakte ion trap. (een) de rode stippen geven de gevangen ionen. De bruine en gele elektroden geven de RF en DC-elektroden, respectievelijk. De grijze pijlen geven de richting van het elektrisch veld in de positieve fase van de RF-spanning. Merk op dat het schema niet wordt getekend op schaal. (b) de verticale afmetingen van de elektrode structuur. (c) de laterale afmetingen van de elektrode structuur. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Figuur 2: Vereenvoudigde energieniveau diagrammen voor een 174Yb+ -ion en een neutrale 174Yb-atoom. (een) wanneer een 369.5 nm laser is ontstemd aan de rode kant (lagere frequentie) van de resonantie, een fietsen overgang tussen 2P1/2 en 2S1/2 vermindert de kinetische energie van de ion vanwege de Doppler effect. Soms een kleine maar eindige vertakkende verhouding maakt het elektron verval van 2P1/2 tot 2D3/2, en een laser 935-nm is vereist om het elektron weer terug naar de belangrijkste fietsen overgang. Het elektron kan ook verval in een staat van 2F7/2 keer per uur, gemiddeld, en een 638 nm-laser kan het pompen uit de 2F7/2 staat, maar dit is niet nodig voor een eenvoudig systeem38. De waarden in de ket-notatie vertegenwoordigen de prognoses van de totale angular momenta J langs de kwantisatie as mJ. (b) te ioniseren neutrale atomen verdampt uit de oven, een twee-foton absorptie-proces was gebruikte39. Een 399 nm laser enthousiast een elektron 1P1 staat, en het 369.5 nm foton voor het koelen van Doppler had meer energie dan nodig is om het opgewonden elektron van het ion. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Figuur 3: verloop van het proces van de fabricage van een oppervlakte ion trap. (een) thermische oxidatie te groeien een 5.000 Å-dikke SiO2 laag en LPCVD van een 2.000 Å-dikke Si3N4 laags. (b) afzetting en ICP ETS van een 1,5 µm dik plaatgaasfolie Al laag. (c) afzetting van een 14 µm dik SiO2 laag aan de beide zijden van de wafer via PECVD processen. (d) patronen van de 14 µm dik SiO2 laag gestort op de voorzijde van de wafer middel van een RIE procédé (e) patronen van de 14 µm dik SiO2 laag gestort op de achterkant van de wafer met behulp van een RIE-proces. (f) afzetting van een 1,5 µm dik plaatgaasfolie Al laag en een 1 µm dik PECVD SiO2 . (g) patronen van de 1,5 µm dik Al laag met behulp van een ICP-proces en de 1 µm dik SiO2 met behulp van een RIE verwerken. (h) patronen van de 14 µm dik SiO2 laag gestort aan de voorzijde van de wafer met behulp van een RIE-proces. (ik) patronen van de 5.000 Å-dikke SiO2 laag en de 2.000 Å-dikke Si3N4 met behulp van een RIE verwerken. (j) DRIE van het silicium substraat 450 µm vanaf de achterkant van het zegel. (k) nat-etsen van de SiO2 laag op de Al-elektroden en de zijwanden van de diëlektrische pijlers. (l) penetratie van het silicium substraat vanaf de voorzijde door een proces van DRIE. Merk op dat de schema's worden niet getekend op schaal. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Figuur 4: een voorbeeld van de DC-spanning instellen gebruikt voor de overlapping van ionen. De spanningen die zijn toegepast op de innerlijke rails kunnen compenseren voor het asymmetrische elektrische veld in horizontale richting te kantelen van de belangrijkste assen van het totale potentieel in het dwarsvlak. De frequentie van de axiale trap gegenereerd door de verzameling van de spanning werd 550 kHz. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
ether.within-pagina = "1" ><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Figuur 5: schematische van de optische setup. Drie diodelasers zijn uitgelijnd zodat overlappen op de positie van de overvulling. De verzonken viewport van de UHV kamer kunt de imaging lens wordt zo dicht mogelijk bij de chip oppervlak. Een flip-spiegel geplaatst tussen de imaging lens en de EMCCD voorziet in het selectieve toezicht op de ion-fluorescentie met behulp van ofwel een foton vermenigvuldigd buis (PMT) of een EMCCD. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Afbeelding 6: afbeeldingen van de geconstrueerde optische setup. (een) A spoel is gewikkeld rond de voorkant viewport van de kamer voor het genereren van een magnetisch veld, die ontaarde energie-niveaus van ytterbium ionen kan breken. (b) de optische setup voor de besturing van de 399 nm en 935 nm balken. De rode en groene lijnen geven het pad van de lichtbundel van de 935 nm en 399 nm lasers, respectievelijk. (c) de configuratie voor het imaging systeem, met inbegrip van de flip-spiegel, de imaging lens, de EMCCD en de vervaldatum Het pad van de fluorescentie die wordt uitgestoten uit de gevangen ionen kan worden bepaald door de flip-spiegel. De groene en witte pijlen geven het pad van de fluorescentie als wordt gecontroleerd door de EMCCD en de bet, respectievelijk. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Figuur 7: resultaten van de fabricage van de oppervlakte ion trap. (een) overzicht van de lay-out van de chip. (b) een vergrote weergave van de chip-indeling, waarin de meerdere buitenste DC elektroden. (c) een vergrote weergave van chip-indeling, waarin de sleuf laden. (d) een transversale zicht op de overlapping regio voordat het penetreren van de sleuf laden. (e) een transversale zicht op de overlapping regio na het penetreren van de sleuf laden. (f) A vergroot transversale weergave van de pijler oxide. De oxide pijlers hebben gekartelde muren, en de lengte van de overhang niet volstaan, die wordt toegeschreven aan het tarief van de niet-uniforme etsen van de SiO-2 op de interfaces tussen de afzonderlijk gedeponeerde 3,5 µm dik SiO2 lagen. (g) A bovenaanzicht van een draad-lijmen-pad van een DC-elektrode. (h) A transversale weergave van een via. Geneigd profielen van de oxide pijlers toestaan voor de aansluiting van de DC-elektrode en de bodemgrond tijdens de afzetting van de Al laag op de zijkant van de oxide pijler in plaats van vulling de via gaten met een proces van galvaniseren. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Figuur 8: een EMCCD beeld van vijf 174Yb+ ionen gevangen op de chip van de ion-val microfabricated. Het beeld van de structuur van de elektrode oppervlakte val apart werd genomen, en de beelden van de gevangen ion en de elektroden voor de duidelijkheid werden samengevoegd. De intensiteit legende geldt alleen voor de pixels in het vak. De dikke pijl geeft het pad van de straal van de laser nm 369.5 en de dunne pijlen staan voor de x - en z-componenten van de dynamiek van het foton. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Figuur 9: aanpassing van het axiale potentieel van de gevangen ionen in een lineaire keten. (een) zeven ionen in het midden van de val. (b) de ionen waren pendelde tientallen micrometers. (c) de ion-tekenreeks geperst in de axiale richting. Dit cijfer is het best bekeken als een film, die afzonderlijk wordt geupload. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Figuur 10: Experimentele resultaten van Rabi oscillaties tussen de | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> en | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Staten. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> is gedefinieerd als de 2S1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> stand van de 171Yb+ ion, en | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> is gedefinieerd als de 2S1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> staat. De Rabi trilling wordt veroorzaakt door een 12.6428-GHz magnetron. Bloch bollen boven de plot Toon het overeenkomstige kwantumtoestanden op verschillende tijdstippen. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
Aanvullend Document: <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Gelieve Klik hier om dit document te downloaden.</a>

Dit document stelt een methodologie van de microfabrication voor oppervlakte ion vallen, alsmede een gedetailleerde experimentele procedure voor overvullen ytterbium ionen in een omgeving met kamertemperatuur.

Experimentele methoden voor het overlappen van ionen met Microfabricated oppervlak Ion Traps

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

Het algemene doel van deze procedure is het voorbereiden en demonstreren van een experimentele opstelling voor het vangen van ytterbium-ionen, inclusief een micro-gefabriceerde chip. Ionenvangtechnologie wordt beschouwd als een van de belangrijkste kandidaten voor de fysieke implementatie van quantum-informatieverwerking. Deze procedure biedt de gedetailleerde protocollen voor het micro-fabrikeren van een ionenvangchip, evenals voor het construeren van een experimentele opstelling om ionen te vangen met behulp van de micro-gefabriceerde chip.Ionenvangsystemen ontwikkeld met microfabricatietechnologie bieden een groot potentieel voor quantuminformatieverwerking en quantumcomputing. De hier gepresenteerde protocollen dienen als leidraad voor het fabricatieproces en het opzetten van ionenvangexperimenten. Een visuele demonstratie van deze methode is essentieel, omdat deze de coördinatie vereist van diverse componenten, zoals lasers, beeldvormingssystemen, een vacuümkamer, elektronica en microfabricatie.Om het experiment uit te voeren, moet eerst de chip voor oppervlakte-ionenvangst worden gefabriceerd. Dit is een voorbeeld van een chip gemonteerd in een houder die in deze demonstratie wordt gebruikt. De kenmerken van de chip zijn weergegeven in dit schema; er is een laadsleuf waarvia neutrale atomen worden geïntroduceerd.Aan weerszijden van de laadsleuven bevinden zich radiofrequentie-elektroden om ionen in richtingen loodrecht op de sleuf te beperken. Gelijkstroomspanningen op de buitenste elektroden beperken de ionen langs deze sleuf. Gelijkstroomspanningen op de binnenste elektroden helpen de hoofdas van het totale potentiaal te kantelen.Plaats voor het experiment de ingepakte chip in een ultra-hoog vacuümkamer. In dit geval bevindt de chip zich in het midden van een sferische octogonale kamer. De elementen van het ultra-hoog vacuümsysteem zijn weergegeven in dit schematische overzicht.De ionenpomp en de niet-evaporatieve getter kunnen drukken bereiken onder de 3 x 10⁻¹¹ Torr. De sferische octagoon bevat een oven waarmee de ytterbium-atomen worden geplaatst. De sferische octagoon is weergegeven in het centrum van dit schema van de uiteindelijke optische opstelling.De microgefabriceerde chip bevindt zich in het centrum van de octogoon. Doorvoeren maken elektrische verbindingen mogelijk met de chip-elektroden in de oven van de octogoon. De optische elementen zijn zo gerangschikt dat drie diodelasers stralen produceren die elkaar overlappen op de vangpositie.Een verzonken vizierpoort in de sferische octagonaal maakt het mogelijk dat een beeldvormingslens dicht bij het oppervlak van de chip komt. Beeld het oppervlak van de chip af met een elektron-vermenigvuldigende CCD-camera. Sluit meerkanaalskabels aan op een digitaal-naar-analoogconverter.Sluit het andere uiteinde van de meerkanaalskabels aan op de doorvoeren van de sferische octagoon. Maak daarnaast de juiste doorvoerverbindingen met een helixresonator. Werk vervolgens verder met de resonator, een spectrumanalysator en een directionele kopper.Verbind de uitgang van de RF-generator met de uitgang van de richtkoppeler. Verbind vervolgens de ingang van de resonator met de ingangspoort van de richtkoppeler. Verbind de voorwaartse koppelpoort met de RF-ingang van de spectrumanalyser.Sluit de reverse coupled port af met een weerstand van 50 ohm. Bereid vervolgens de afstelling van de dop van de helix-resonator voor. Stel de positie van de dop van de helix-resonator in en scan vervolgens de frequenties van de generator om de frequentie te bepalen waarbij de reflectie minimaal is.Ga door met het afstemmen van de resonator door de positie van de dop aan te passen. Houd ondertussen de frequentiescan in de gaten om de frequentie van het globale minimum van het gereflecteerde vermogen te bepalen. Zodra het globale minimum is gevonden, dient de positie van de resonator-dop te worden vastgezet.Zet de RF-generator uit voordat u verdergaat. Zorg ervoor dat alle lasers geplaatst, gestabiliseerd en om veiligheidsredenen geblokkeerd zijn voordat u verdergaat. Deblokkeer de laser van 369,5 nanometer en collimeer de straal.De straal moet zich voortplanten in de richting van de gevangen chip. Richt de straal parallel aan de chip en bijna raak aan het oppervlak. Gebruik een straalkaart, tegenover het instroompunt van de straal, om de uitlijning te testen; een ronde vlek geeft aan dat de straal niet reflecteert op enig oppervlak.Monteer vervolgens een focuseerlens op een translatiepodium. Plaats de lens zodanig dat de straal nabij het trapping-potentiaal wordt gefocust, nog steeds parallel aan het chipoppervlak. Ga nu over naar het werken met de beeldoptiek.Kies een beeldelement met een hoge numerieke apertuur die is gemonteerd op een translatietraverse. Plaats deze voor het verzonken venster van de ultrahoogvacuümkamers. Dit is een schematische weergave van de opstelling met het beeldelement op zijn plaats.Lijn vervolgens de laserstraal uit, zodat er enige verstrooiing optreedt vanaf het chipoppervlak. Gebruik zoals eerder beschreven een straalkaart om te verifiëren dat de straal gedeeltelijk wordt geblokkeerd. Plaats daarna de straalkaart nabij het beeldvlak van de objectieflens.Stel de positie van de beelduitsluiting lens bij met een translatietraverse. De nieuwe positie moet ervoor zorgen dat het verstrooide licht een scherp beeld op de straalkaart produceert. Plaats nu een elektronenvermenigvigd CCD-detectiesysteem op de translatietraverse in het beeldvlak van de lens.Plaats een banddoorlaatfilter voor de CCD om achtergrondlicht te blokkeren. De elektroden moeten zichtbaar zijn met de opstelling van de CCD en lens. Richt vervolgens de bundel verticaal uit, zodat deze door het vangkritische potentiaal gaat.Houd vervolgens de straal in de gaten en beweeg deze naar het oppervlak van de val. Ga ervan uit dat maximale straalverstrooiing betekent dat het centrum van de straal zich op het chipoppervlak bevindt. Gebruik nu de translatiepodia van de lens om de straal naar de verwachte hoogte van het vangpotentiaal te verplaatsen.Beweeg na die afstelling de translatietrappen van de beelduits lens en de CCD met dezelfde afstand terug en noteer de positie. Dit is het schema van het systeem op dit punt. De straal gaat door de verwachte positie van de val.Ga verder na het vrijmaken van de andere twee lasers en begin met het uitlijnen ervan. Vervang het banddoorlaatfilter voor de CCD door een banddoorlaatfilter van 399 nanometer. Stel vervolgens de posities van de beeldlens en de CCD bij om de elektroden scherp te stellen op de CCD.Lijn de gecollimeerde 399 nanometer straal uit, zodat deze de vacuümkamer binnengaat, voortplant in de tegenovergestelde richting van de 369,5 nanometer straal en hiermee overlapt. Plaats een spiegel en een dichroïsche spiegel om de twee stralen te combineren, zodat ze in de kamer samen voortplanten. Voeg voor testdoeleinden tijdelijk een spiegel toe aan het straalpad vóór de kamer en controleer de overlap van de stralen met een straalprofielmeter.Plaats een focuslens op een translatievlak in het straalpad tussen de dichroïsche spiegel en de tijdelijke spiegels. Gebruik de straalprofielmeter om de focus van de twee stralen te controleren. In dit geval zijn de twee lasers niet op hetzelfde punt gefocust, zoals wel zou moeten.Lijn slutend de 935 nanometer laser uit om de lasers in coincidentie te brengen. Zodra dit is voltooid, verwijdert u de tijdelijke spiegel en controleert u of de 399 nanometer straal in de CCD kan worden waargenomen. Lijn de straal verticaal uit met de verwachte positie van de val en beweeg de straal vervolgens richting de chip.Houd het CCD-beeld in de gaten en bepaal de maximale intensiteit van het verstrooide licht, terwijl de bundel gecentreerd is op het chipoppervlak. Verplaats vervolgens de bundel van het oppervlak naar de verwachte positie van de trap. Verplaats daarna de beeldvormingslens en de CCD over dezelfde afstand terug.Stel vervolgens de 399 nanometer laser in vlakbij de passende ytterbium 174-overgang. Monitor het CCD-beeld terwijl de oven met ytterbium wordt ingeschakeld en de stroom wordt verhoogd. Doe dit terwijl u de laser door de ytterbium-resonantie scant om het begin van de verdamping te identificeren door middel van fluorescentie-observatie.Noteer de huidige waarde vlak voor de fluorescentie en schakel de oven uit. Voer de laatste voorbereidingen uit voor het vangen van ionen. Ga terug naar het banddoorlaatfilter bij de CCD en vervang dit door een banddoorlaatfilter van 369,5 nanometer.Stel daarnaast de posities van de CCD en de beeldvormingslens in voor de focus op 368,5 nanometer. Stel de spanningen in voor de digitaal-naar-analoogomzetter die de elektroden aanstuurt. Ga vervolgens naar de RF-generator die aan de helixresonator is gekoppeld.Zet de generator aan op een zeer lage vermogensinstelling en verhoog het uitgangsvermogen geleidelijk. Stel op de laserbesturingscomputer de laserfrequenties en de ovenstroombron in op de juiste waarden. Blokkeer na enkele minuten de 935 nanometer laser kortstondig gedurende één tot twee seconden om een test voor het vangen te starten.Bekijk de val met de CCD. Als er ionen gevangen zijn, daalt de verstrooiingssnelheid aanzienlijk en wordt het beeld merkbaar beïnvloed. Blokkeer de laser een paar keer om te controleren of de blokkering correleert met veranderingen in het beeld.Zodra de ionen gevangen zijn, kan de oven worden uitgeschakeld. Deze compositie van elektron-vermenigvuldigende CCD-beelden suggereert de locatie van vijf ytterbium 174 1+ionen die gevangen zijn in een micro-gefabriceerde ionenvangerchip. Het aantal gevangen ionen kan worden gevarieerd door de aangelegde DC-spanningen te wijzigen.In deze video over gevangen ionen worden de ionen gemanipuleerd door de DC-spanningen van de val te variëren. De protocollen voor het fabriceren van oppervlakte-ionenvallen en het vangen van ytterbium 174 isotoop-ionen werden in deze video gepresenteerd. Deze procedure kan eenvoudig worden uitgebreid naar het vangen van ytterbium-ionen van isotoop 171 en het manipuleren van de kubische fase, met als uiteindelijk doel quantum-informatieverwerking en quantumcomputing.

experimental-methods-for-trapping-ions-using-microfabricated-surface

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

In dit artikel presenteren we een microfluïdisch-gebaseerde methode voor deeltjesfysica opsluiting op basis van hydrodynamische stroming. Tonen we stabiel deeltje trapping in op een vloeiende stagnatie punt met behulp van een feedback control mechanisme, waardoor opsluiting en micromanipulatie van willekeurige deeltjes in een geïntegreerde microdevice.

Een Microfluïdische-gebaseerde Hydrodynamische Trap voor Single Particles

Isotachophoresis (ITP) is een robuuste elektrokinetische scheiding en preconcentratiestap techniek met toepassingen variërend van toxine detectie tot monstervoorbereiding. Wij beoordelen de fysische principes van ITP en de methodologie van het toepassen van deze techniek om twee specifieke voorbeeld toepassingen: scheiding en detectie van kleine moleculen en zuivering van nucleïnezuren uit celkweek lysaat.

On-chip Isotachophoresis voor de scheiding van ionen en zuivering van nucleïnezuren

De volgende setup aanpak gegevens low power optische vangen van diëlektrische nanodeeltjes door middel van een dubbel-nanohole in metaal film.

Optische overvullen van nanodeeltjes

Zachte landing van in massa geselecteerde ionen op oppervlakken is een krachtige aanpak voor de zeer gecontroleerde bereiding van nieuwe materialen. In combinatie met de analyse door in situ secundaire ionen massaspectrometrie (SIMS) en infrarood reflectie absorptie spectroscopie (IRRAS), zachte landing biedt ongekende inzichten in de interacties van welbepaalde soorten met oppervlakken.

In Situ SIMS en IR spectroscopie van Well-gedefinieerde oppervlakken die zachte landing van Mass-geselecteerde Ionen

Transporters in celmembranen maken differentiële segregatie van ionen over celmembranen of cellagen mogelijk en spelen een cruciale rol tijdens weefselfysiologie, herstel en pathologie. We beschrijven de ion-selectieve zelfrefererende micro-elektrode die de meting van specifieke ionfluxen bij enkele cellen en weefsels in vivo mogelijk maakt.

Meting van de extracellulaire Ion Flux gebruik van de Ion-selectieve Zelf referencing micro-elektrode Techniek

Hier beschrijven we de fabricage en werking van een dubbellaags microfluïdisch systeem gemaakt van polydimethylsiloxaan (PDMS). We tonen het potentieel van dit apparaat aan voor het vangen, richten van de coördinatieroute van een kristallijn moleculair materiaal en het controleren van chemische reacties op in chip gevangen structuren.

Microfluïdische Pneumatische Cages: een nieuwe benadering voor de In-chip Crystal Trapping, manipulatie en gecontroleerde chemische behandeling

Een protocol voor het lanceren en stabiel vasthouden van geselecteerde diëlektrische microdeeltjes in de lucht wordt gepresenteerd.

Optische val Laden van diëlektrische micropartikels in Air

Een microchip fabricageproces dat plasmonische pincet opgenomen wordt hier gepresenteerd. De microchip maakt het afbeelden van een gevangen deeltje trapping maximale krachten meten.

Plasmonische Trapping en het vrijkomen van nanodeeltjes in een Monitoring Milieu

Het protocol voor een nieuwe ionenconcentratie polarisatie (ICP) platform dat de voortplanting van de ICP zone kan stoppen, ongeacht de omstandigheden beschreven. Dit unieke vermogen van het platform ligt in het gebruik van fusie ion uitputting en verrijking, die twee polariteiten van de ICP fenomeen zijn.

Het samenvoegen van Ion Concentratie polarisatie tussen Naast elkaar Ion Exchange membranen aan de voortplanting van de Polarisatie Zone blokkeren

Dit protocol beschrijft real-time iontoforese, een methode die fysieke parameters meet van de extracellulaire ruimte (ECS) van de levende hersenen. De diffusie van een inert molecuul dat in de ECS wordt vrijgegeven, wordt gebruikt om de ECS volume fractie en tortuositeit te berekenen. Het is ideaal voor het bestuderen van acute omkeerbare veranderingen in hersen ECS.

Real-time iontophorese met tetramethylammonium om volume-fractie en tortuositeit van de extracellulaire ruimte van de hersenen te kwantificeren

Dit artikel beschrijft de experimentele methode om langdurige stabiele vangst en nauwkeurige positionering van grote metaaldeeltjes in de lucht te bereiken met behulp van een dynamische, bootvormige fotoforetische val. Dit systeem maakt gecontroleerde manipulatie mogelijk die geschikt is voor studies naar plasmonische interacties.

Optisch grote metalen deeltjes in de lucht opvangen met een &#39;boot&#39;-val met direct getrokken zijwanden

Leer experimentele methoden voor het vangen van ytterbium-ionen met microgefabriceerde oppervlakte-ionenvallen. Dit protocol begeleidt de fabricage van chips en opstelling van vacuümkamers voor quantuminformatieverwerking.

Experimentele methoden voor het overlappen van ionen met Microfabricated oppervlak Ion Traps

Meer video's verkennen