Name: Os métodos experimentais de armadilhagem sem crueldade íons usando Microfabricated íon armadilhas de superfície (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: Aprenda a preparar armadilhas de íons de superfície microfabricadas para processamento quântico usando íons de itérbio. Este protocolo detalhado guia a construção de experimentos de aprisionamento em câmara de vácuo.

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Esta pesquisa foi parcialmente suportada pelo Ministério da ciência, TIC, e planejamento de futuro (MSIP), Coreia, sob o centro de pesquisa tecnologia informação (ITRC) apoiar o programa (IITP-2017-2015-0-00385) e o ICT R &#38; (10043464, desenvolvimento de programa em D quântica tecnologia repetidor para o aplicativo para sistemas de comunicação), supervisionado pelo Instituto de informação &#38; promoção de tecnologia de comunicações (IITP).

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Os autores não têm nada para divulgar.

Este trabalho apresentou um método para íons de captura com armadilhas de íon microfabricated superfície. A construção de um sistema de captura de íon requer experiências em vários campos de pesquisa, mas não anteriormente foi descrita em detalhe. Este papel fornecido os procedimentos detalhados para microfabricating um chip de armadilha, bem como para a construção de uma instalação experimental para armadilha de íons pela primeira vez. Este papel também forneceu os procedimentos detalhados para aprisionando 174íons de Yb+ e experimentando com íons presos.
Um obstáculo enfrentado nos procedimentos microfabrication é a deposição da camada dielétrica, com uma espessura de mais de 10 µm. Durante o processo de deposição da grossa camada dielétrica, tensão residual pode acumular-se, que pode causar danos ao filme dielétrico ou mesmo quebrar a bolacha. Para reduzir a tensão residual, que é geralmente à compressão, uma taxa de deposição lenta deve ser usado40. No nosso caso, um esforço compressivo de 110,4 MPa foi medido com as condições de deposição de 540 sccm de SiH4 taxa de fluxo de gás, 140 W de RF potência e 1,9 Torr de pressão em 5 µm de espessura de película. No entanto, estas condições de processo fornecem apenas uma referência de áspera, desde que estas condições podem variar significativamente para equipamentos diferentes. Para reduzir os efeitos do stress acumulado, 3,5 filmes de2 µm de espessura SiO foram depositados atender em ambos os lados da bolacha no método apresentado. A espessura necessária da camada dielétrica pode ser reduzida se um menor amplitude de tensão de RF e, portanto, uma profundidade de armadilha é escolhida. No entanto, uma profundidade de armadilha facilmente leva para a fuga de presos íons, para a fabricação de camadas dielétricas mais espessas, que podem suportar umas mais altas tensões de RF, é mais desejável.
Existem algumas limitações para o método de fabricação apresentado neste trabalho. Os comprimentos das saliências não são suficientes para esconder completamente os sidewalls dieléctricos de íons de presos, como mostrado na Figura 7f. Além disso, as paredes laterais dos pilares óxido são irregulares, aumentando a área exposta das paredes laterais dielétricas em comparação com o pilar de óxido vertical. Por exemplo, no caso da parede lateral do trilho interno DC perto o slot de carregamento com uma saliência de uniforme de 5 µm, calcula-se que 33% da superfície do dielétrica é exposto para a posição de íon preso da parede lateral do vertical. No caso de borda irregular, mais de 70% da área do sidewall é exposta. Estes resultados não-ideal de fabricação podem induzir campos parasitas adicionais dos dielétricos expostos, mas os efeitos não foram medidos quantitativamente. No entanto, o chip fabricado conforme relatado acima tem sido utilizado com sucesso em íon trapping e experimentos de manipulação qubit. Além disso, o chip de armadilha apresentado neste trabalho tem exposto paredes laterais de silício perto o slot de carregamento. Óxido nativo pode crescer nas superfícies de silício e pode resultar em fluxos adicionais de campos. Portanto, é recomendável para proteger o substrato de silício com uma camada adicional de metal, como em33.
Para interceptar íons de Yb+ 174, as frequências dos lasers devem ser estabilizadas dentro de algumas dezenas de megahertz, e alguns métodos diferentes são discutidos em configurações avançadas,38,41. No entanto, para a configuração simples discutida neste artigo, captura inicial é possível somente com estabilização usando um medidor de comprimento de onda.
Este papel fornecido um protocolo para interceptar íons de Yb+ 174usando um chip de superfície íon-armadilha de microfabricated. Embora o protocolo para aprisionando os íons de Yb+ 171especificamente não é discutido, a instalação experimental descrita neste artigo pode ser usada também para armadilha de íons de 171Yb+ e manipular o estado qubit do 171 Íons de Yb+ para obter o Rabi resultados de oscilação (mostrado na Figura 10). Isso pode ser feito adicionando vários moduladores ópticos para a saída dos lasers e usando uma configuração de microondas, conforme descrito no Documento complementar.
Em conclusão, os métodos experimentais e os resultados apresentados neste artigo podem ser usados para desenvolver várias aplicações de informação quântica usando armadilhas superfície do íon.

Uma armadilha de Paul pode confinar partículas carregadas, incluindo íons no espaço vazio, usando uma combinação de um campo elétrico estático e um campo elétrico variável, oscilando a radiofrequência (RF), e os estados quânticos dos íons confinados na armadilha pode ser medidos e controlada1,2,3. Tais armadilhas de íons foram originalmente desenvolvidas para aplicações de medição precisa, incluindo relógios ópticos e espectroscopia de massa4,5,6. Nos últimos anos, estas armadilhas de íons têm também sido ativamente exploradas como uma plataforma física para implementar o processamento de informação quântica atribuído às características desejáveis de íons presos, como longos períodos de coerência, isolamento ideal em uma altíssima ambiente de vácuo (UHV) e a viabilidade de manipulação qubit individual7,8,9,de10. Desde Kielpinski et al. 11 , proposta uma arquitetura escalável íon-armadilha que pode ser usada para desenvolver computadores quânticos, vários tipos de armadilhas de superfície, incluindo a junção armadilhas12,13, armadilha multi-zona fichas14e matriz 2D armadilhas15,16,17, foram desenvolvidos utilizando semicondutores derivado de processo microfabrication métodos18,19,20,21 . Em grande escala quântica processamento de informações sistemas baseados na superfície de armadilhas também têm sido discutiram22,23,24.
Este documento apresenta os métodos experimentais de íons de captura com armadilhas de íon microfabricated superfície. Mais especificamente, um processo para a fabricação de superfície ion armadilhas e um procedimento detalhado para íons de captura usando as armadilhas fabricadas são descritos. Além disso, descrições detalhadas de várias técnicas práticas para configurar o sistema experimental e aprisionando os íons são fornecidas no Documento complementar.
A metodologia para microfabricating uma superfície armadilha do íon é dada na etapa 1. A Figura 1 mostra um esquema simplificado de uma armadilha de íon a superfície. Os campos elétricos gerados pela tensão aplicada aos eletrodos no plano transversal também são mostrados25. Uma tensão de RF é aplicada para o par de eletrodos de RF, enquanto todos os outros eletrodos são mantidos no chão de RF; o potencial de ponderomotive26 gerado pela tensão de RF restringe os íons para a direção radial. A tensão de corrente contínua (DC) aplicada aos vários eletrodos DC fora os eléctrodos de RF confinar os íons para a direção longitudinal. Os trilhos internos entre os eletrodos de RF são projetados para ajudar a inclinar os eixos principais do potencial total no plano transversal. A metodologia para a concepção de um conjunto de tensão DC é incluída no Documento complementar. Além disso, mais detalhes para projetar os parâmetros geométricos essenciais de chips de superfície íon-armadilha podem ser encontrados em27,28,29,30,31.
O método de fabricação introduzido na etapa 1 foi concebido tendo em conta os seguintes aspectos. Primeiro, a camada dielétrica entre a eletrodo camada e a camada de solo deve ser suficientemente espessa para evitar a avaria elétrica entre as camadas. Geralmente, a espessura deve ser mais de 10. Durante a deposição da grossa camada dielétrica, a tensão residual dos filmes depositados pode causar curvatura do substrato ou danos aos filmes depositados. Assim, controlando a tensão residual é uma das principais técnicas na fabricação das armadilhas superfície ion. Em segundo lugar, a exposição das superfícies dielétricas para a posição de íon deve ser minimizada porque acusações perdidas podem ser induzidas no material dielétrico por lasers dispersa radiação ultravioleta (UV), que, em vez resulta em uma mudança aleatória de íon, posicionar. A área exposta pode ser reduzida através da concepção de estruturas de eletrodo de saliência. Tem sido relatado que íon armadilhas com eletrodo saliências são resistentes a carga sob condições experimentais típico32de superfície. Terceiro, todos os materiais, incluindo vários filmes depositados, devem ser capazes de resistir a 200 ° C, assar por aproximadamente 2 semanas, e a quantidade de gases de todos os materiais deve ser compatíveI com ambientes UHV. O projeto de microfabricated de fichas a superfície íon-armadilha neste trabalho é baseado no projeto armadilha de33, que foi utilizado com sucesso em vários experimentos32,33,34, 35. nota que este projeto inclui um slot no meio o chip para átomos neutros, que são posteriormente a carregar foto-ionizada para interceptação.
Após a fabricação do chip íon-armadilha, o chip é montado e eletricamente conectado à portadora microplaqueta usando fios de ligação do ouro. O portador do chip for instalado em uma câmara UHV. Um procedimento detalhado para a preparação de um pacote de microplaqueta de armadilha e o projeto da câmara UHV são fornecidos no Documento complementar.
Preparação do equipamento ótico e elétrico, bem como os procedimentos experimentais para íons de armadilhagem, são explicados em detalhes na etapa 2. Os íons presos pelo ponderomotive potencial são geralmente sujeitos a flutuação do campo elétrico ao redor, que continuamente aumenta a energia cinética dos íons. Laser de resfriamento baseado no efeito Doppler pode ser usado para remover o excesso de energia de movimento dos íons. A Figura 2 mostra o diagrama simplificado do nível de energia de um íon de Yb+ 174e um átomo de Yb neutro 174. Arrefecimento Doppler de íons de Yb+ 174requer um laser 369,5-nm e um laser de 935-nm, enquanto foto-ionização de átomos de Yb neutro 174requer um laser 399-nm. Etapas, 2.2 e 2.3 descrevem um método eficiente para alinhar estes lasers para o chip de superfície íon-armadilha e um procedimento para encontrar as condições apropriadas para foto-ionização. Depois que os componentes ópticos e elétricos são preparados, aprisionando os íons é relativamente simples. A sequência experimental para íons de interceptação é apresentada na etapa 2.4.

<table><tbody><tr><td>fotorresistente usado para 2-&mu; m revestimento giratório</td><td>AZ Materials</td><td>AZ7220</td><td>Descontinuado. Facilmente substituído por outro produto fotorresistente alternativo.</td></tr><tr><td>fotorresistente usado para 6-&mu; m spin coating</td><td>AZ Materials</td><td>AZ4620</td><td>Descontinuado. Facilmente substituído por outro produto fotorresistente alternativo.</td></tr><tr><td>transportador de cavacos cerâmicos</td><td>NTK</td><td>IPKX0F1-8180BA</td><td></td></tr> composto <tr><td>epóxi</td><td>Epotek</td><td>353ND</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de deposição de vapor químico aprimorado por plasma (PECVD)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de deposição de vapor químico de baixa pressão (LPCVD)</td><td>Forno Centrotherm</td><td>E-1200</td><td></td></tr><tr><td>Seltron</td><td></td><td>SHF-150</td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Alinhador manual</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>Gravador de plasma acoplado indutivo (ICP)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100 Cobra Gravura</td><td></td></tr><tr><td>iônica reativa (RIE) Materiais</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><td>Óptica de Partículas Carregadas</td><td></td></tr><tr><td>Monocristalino (100) wafer de silício</td><td>STC</td><td>4SWP02</td><td>100 mm / (100) / tipo P / SSP / 525&plusmn; 25 &mu; m</td></tr><tr><td>tubos de metal</td><td>Mcmaster-carr</td><td>89935K69</td><td>316 Tubo de aço inoxidável, 0.042" OD, 0.004" Espessura da parede</td></tr><tr><td>Yb peça</td><td>Goodfellow</td><td>YB005110</td><td>fio de itérbio, pureza 99.9%</td></tr><tr><td>enriquecido 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>folha</td> <td>de tântaloA Nilaco Corporation</td><td>TI-453401</td><td>0,25x130x100mm 99,5%</td></tr> <tr><td>Fio de cobre isolado com Kapton</td><td>Accu-glass</td><td>18AWG (fio de cobre banhado a prata kapton)</td><td></td></tr> <tr><td>analisador de gás residual (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><tr><td>válvula totalmente metálica</td><td>KJL</td><td>manual SS Válvulas angulares totalmente metálicas (CF flangeado)</td><td></td></tr><tr><td>Detector de vazamento (usado como uma bomba bruta)</td> <td>Medidores</td> de íons <td>Varian PD03</td><td></td></tr> Bomba de íons <tr><td></td><td>Agilent</td><td>UHV-24p</td><td></td></tr><tr><td>Bomba Agilent</td><td>VacIon Plus 20</td><td></td><td></td></tr><tr><td>NEG</td><td>SAES Getters</td><td>CapaciTorr D400</td><td></td></tr><tr><td>octógono esférico</td><td>Kimball Physics</td><td>MCF600-SphOct-F2C8</td><td></td></tr><tr><td>ZIF soquete</td><td>Tactic Electronics</td><td>P/N 100-4680-002A</td><td></td></tr><tr><td>multi-pinos de passagem</td><td>Accu-Glass</td><td>6-100531</td><td></td></tr><tr><td>25 adaptadores de gênero D-sub</td><td>Accu-Glass</td><td>104101</td><td></td></tr><tr><td>Janela de visualização embutida</td><td>Culham Centre for Fusion Energy</td><td>100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Pedido personalizado)Material do</td> <td>disco: 60cv Sílica fundida 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td></tr><tr><td>Revestimento AR</td> <td>de janela de visualização embutidaLaserOptik</td><td>AR355nm/0-6&deg; HT370-650nm/0-36&deg; em UHV (Pedido personalizado)</td><td>O revestimento AR foi realizado no meio da fabricação da janela de visualização embutida</td></tr><tr><td>Conversor analógico digital</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>Os</td> cabos de fibra óptica coerentes NUV-320-K1 Patch de Toptica <td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>369,5 nm e 399 nm</td><td></td><td></td><td>são conectorizados por conexões costais.</td></tr><tr><td>divisor de fibra óptica</td><td>de fibra óptica GouldFiber Optics</td><td>PSK-000626</td><td>de 935nm 50/50 feito de fibra monomodo Corning HI-780 para combinar 935nm e 638nm juntos.</td></tr><tr><td>Medidor de comprimento de onda</td><td>High Finesse</td><td>WSU-2</td><td></td></tr><tr><td>espelho temporário</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Espelho dicróico</td><td>Semrock</td><td>FF647-SDi01-25x36</td><td></td></tr><tr><td>369,5nm & 399nm colimador</td><td>Micro Laser Systems</td><td>FC5-UV-T/A</td><td></td></tr><tr><td>935nm colimador</td><td>Sch&auml; fter + Kirchhoff</td><td>60FC-0-M8-10</td><td></td></tr><tr><td>Lente de focagem de 369,5 nm</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-77.3-UV-355-399</td><td>Distância focal: ~ 163 mm @ 369,5 nm</td></tr><tr><td>399 nm e lente de focagem de 935 nm</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-64,4-UV-355-399</td><td>Distância focal: ~ 137 mm @ 399 nm, ~ 143 mm @ 935 nm</td></tr><tr><td>lente de imagem</td><td>Engrenagem de fóton</td><td>P / N 15470</td><td></td></tr><tr><td>369,5 nm filtro passa-banda</td><td>Semrock</td><td>FF01-370 / 6-25</td><td></td></tr><tr><td>filtro passa-banda de 399nm</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>EMCCD câmera</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>

os métodos experimentais de armadilhagem sem crueldade íons usando microfabricated íon armadilhas de superfície

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Preso em um armadilha de Paul de quadrupolo de íons têm sido considerados um dos fortes candidatos físicos para implementar o processamento da informação quântica. Isto é devido ao seu tempo de coerência de tempo e sua capacidade de manipular e detectar pedaços individuais quântica (qubits). Em anos mais recentes, microfabricated superfície ion armadilhas ter recebido mais atenção para plataformas qubit integrado em larga escala. Este trabalho apresenta uma metodologia de microfabrication íon armadilhas usando tecnologia de sistemas microeletro-mecânico (MEMS), incluindo o método de fabricação para um 14 µm de espessura camada dielétrica e metal pendem sobre estruturas no topo da camada dielétrica. Além disso, um procedimento experimental para aprisionando os íons de itérbio (Yb) isótopo 174 (174Yb+) usando 369.5 nm, 399 nm, e 935 lasers de diodo nm é descrito. Estes procedimentos e metodologias envolvem muitas disciplinas científicas e de engenharia, e este papel primeiro apresenta os procedimentos detalhados de experimentais. Os métodos abordados neste artigo podem ser facilmente estendidos para a captura de íons Yb de isótopo 171 (171Yb+) e a manipulação dos qubits.

A Figura 7 mostra as digitalização micrografias de elétron (SEM) do chip fabricado íon-armadilha. Os eletrodos RF, interiores eletrodos DC, exteriores eletrodos DC e slot de carregamento foram fabricados com êxito. O perfil da parede lateral do pilar dieléctrico tornou-se irregular porque o óxido PECVD foi depositado em várias etapas. As várias etapas de deposição foram usadas para minimizar os efeitos da tensão residual de películas de óxido grossa. Isto é ainda mais descrito na discussão.

A Figura 8 mostra a imagem EMCCD de cinco íons de Yb+ 174presos usando o chip do íon-armadilha de microfabricated. Os íons presos podem durar mais de 24 h com Doppler contínuo de resfriamento. O número de íons presos pode ser ajustado entre 1 e 20, alterando o conjunto de tensão aplicado DC. Esta configuração experimental é muito confiável e robusto e atualmente tem estado em funcionamento durante 50 meses.
A Figura 9 mostra o vaivém de íons presos ao longo da direção axial. A posição de íon na Figura 9b é deslocada do que na Figura 9a através do ajuste da posição do mínimo potencial DC alterando as tensões DC.
A Figura 10 mostra os resultados preliminares de experimentos de oscilação de Rabi com um íon de Yb+ 171. Para obter os resultados, foram utilizadas as configurações adicionais descritas no Documento complementar . Os resultados foram incluídos para mostrar a uma potencial aplicação da instalação experimental explicada neste artigo.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Figura 1: esquemático da armadilha do íon superfície. (um) vermelho pontos representam os íons presos. Os eletrodos de marrons e amarelos indicam os eléctrodos de RF e DC, respectivamente. As cinza setas mostram a direção do campo elétrico durante a fase positiva da tensão de RF. Observe que o esquema não está desenhado em escala. (b) vertical dimensões da estrutura do eletrodo. Dimensões (c), o lateral da estrutura de eletrodo. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Figura 2: Diagrama de energia-nível simplificado de um íon de Yb+ 174e um átomo de Yb neutro 174. (um) quando um 369.5 nm laser é dessintonizado para o lado vermelho (baixa frequência) de ressonância, uma transição ciclismo entre 2P1/2 e 2S1/2 reduz a energia cinética do íon por causa do Doppler efeito. Ocasionalmente, um rácio de ramificação pequeno mas finito faz o decaimento de elétrons de 2P1/2 2D3/2, e um laser de 935-nm é necessário para retornar o elétron volta para a transição de ciclismo principal. O elétron também pode decair em um estado de7/2 2F uma vez por hora, em média e um laser nm 638 podemos bombeá-lo fora do estado de7/2 2F, mas isso não é necessário para um sistema simples de38. Os valores na notação ket representam as projeções do momento angular total J ao longo do eixo de quantização mJ. (b) para ionizar átomos neutros evaporados do forno, um processo de absorção de dois fótons foi usado39. Um laser de nm 399 animado um elétron para 1P1 estado, e o fóton nm 369.5 para arrefecimento Doppler tinha mais energia do que o necessário para remover o elétron excitado o íon. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Figura 3: fluxo de processo de fabricação de uma superfície ion trap. (um) térmico oxidação para crescer um 5.000 Å de espessura SiO2 camada e LPCVD de uma camada de4 3N Si 2.000 Å de espessura. gravura de deposição e ICP (b) de 1,5 µm de espessura sputtered Al camada. (c) deposição de um 14 µm de espessura SiO2 camada as ambos os lados do wafer usando processos PECVD. (d) padronização da 14 µm de espessura SiO2 camada depositada na frente do wafer usando um processo RIE (e) a padronização da camada 14 µm de espessura SiO2 depositado na parte de trás do wafer usando um processo RIE. (f), deposição de um 1,5 µm-grossa atomizados Al camada e uma 1 camada de2 µm de espessura PECVD SiO. processo de padronização de camada de Al 1,5 µm de espessura através de um processo ICP e 1 µm de espessura SiO2 camada usando um RIE (g). (h) a padronização da camada 14 µm de espessura SiO2 depositado na frente do wafer usando um processo RIE. (eu) processo de padronização da 5.000 Å de espessura SiO2 camada e a camada4 de3N Å de espessura Si 2.000 usando um RIE. (j) DRIE do substrato de silício 450 µm da parte traseira do wafer. (k) molhado-gravura da camada2 SiO sobre os eletrodos de Al e as paredes laterais dos pilares dielétricos. (l) penetração do substrato de frente através de um processo DRIE silício. Observe que as plantas não são desenhadas em escala. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Figura 4: um exemplo da tensão DC conjunto usado para aprisionar íons. As tensões aplicadas aos trilhos internos podem compensar o campo elétrico assimétrico na direção horizontal para inclinar os eixos principais do potencial total no plano transversal. A frequência de armadilha axial gerada pelo conjunto de tensão foi 550 kHz. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
ether.Within-página = "1" &gt;<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Figura 5: esquema da instalação do óptica. Três lasers de diodo estão alinhados para sobrepor-se na posição de armadilhagem. Recesso da câmara UHV viewport permite que a lente da imagem latente ser colocado tão próximo quanto possível para o chip de superfície. Um flip-espelho colocado entre a lente da imagem latente e o EMCCD permite a monitorização selectiva da fluorescência íon usando um tubo de fóton multiplicado (PMT) ou um EMCCD. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Figura 6: imagens da instalação do óptica construída. (um) A bobina é enrolada ao redor do visor frontal da câmara para gerar um campo magnético, que pode quebrar degenerados níveis de energia de íons de itérbio. (b) a configuração óptica para dirigir a 399 nm e 935 nm de vigas. As linhas vermelhas e verdes indicam o caminho do feixe da 935 nm e 399 lasers de nm, respectivamente. (c), a configuração da imagem da sistema, incluindo o flip-espelho, a lente da imagem latente, o EMCCD e o pgto. O caminho da fluorescência emitida por íons de presa pode ser determinado pelo flip-espelho. As setas verdes e brancas indicam o caminho da fluorescência quando sendo monitorado pelo EMCCD e o pgto, respectivamente. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Figura 7: resultados de fabricação da armadilha do íon superfície. (a) visão geral do layout da microplaqueta. (b) uma vista ampliada do layout da microplaqueta, que mostra vários eletrodos DC exteriores. (c) uma vista ampliada do layout do chip, o que mostra o slot de carregamento. (d) uma seção transversal vista da região antes de penetrar o slot de carregamento de armadilhagem. (e) uma seção transversal vista da região de armadilhagem após penetrar o slot de carregamento. (f) A ampliada vista transversal do pilar de óxido. Os pilares de óxido têm irregulares paredes, e os comprimentos da saliência não são suficientes, que é atribuído para a taxa de ataque ácido não-uniforme do SiO2 para as interfaces entre as separadamente depositados 3,5 µm de espessura SiO2 camadas. (g), uma vista superior de uma fio de ligação-almofada de um eletrodo de DC. (h), A vista transversal de uma via. Perfis inclinados dos pilares óxido permitem a conexão do eléctrodo DC e a camada de solo durante a deposição da camada na parede lateral do pilar em vez de enchimento óxido Al o através de orifícios com um processo de galvanização. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Figura 8: imagem de um EMCCD de cinco íons de Yb+ 174presos no chip íon-armadilha microfabricated. A imagem da estrutura de eletrodos de superfície armadilha foi tirada separadamente, e as imagens do íon preso e dos eletrodos foram combinadas para maior clareza. A lenda de intensidade aplica-se somente para os pixels na caixa. A seta grossa mostra o caminho do feixe do laser 369.5 nm e as setas finas representam o x-z-componentes e o embalo do fotão. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Figura 9: ajuste do potencial axial dos íons presos numa cadeia linear. (um) sete íons no centro da armadilha. (b) os íons foram transporte dezenas de micrômetros. (c) a sequência de caracteres de íon espremido na direção axial. Esta figura é melhor visualizada como um filme, que é carregado separadamente. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Figura 10: Resultados experimentais das oscilações de Rabi entre o | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> e | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Estados-Membros. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> é definido como 2S1/2| F = 0, m,F= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> estado do íon 171Yb+ , e | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> é definido como 2S1/2| F = 1, m,F= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> estado. A oscilação de Rabi é induzida pela 12,6428-GHz microondas. Esferas de Bloch acima o enredo mostram os estados quânticos correspondentes em momentos diferentes. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Documento complementar: <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Clique aqui para baixar este documento.</a>

Este trabalho apresenta uma metodologia de microfabrication para superfície armadilhas de íons, bem como um procedimento experimental detalhado para íons de itérbio armadilhas em um ambiente de temperatura.

Os métodos experimentais de armadilhagem sem crueldade íons usando Microfabricated íon armadilhas de superfície

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

O objetivo geral deste procedimento é preparar e demonstrar uma montagem experimental para aprisionar íons de itérbio que inclui um chip microfabricado. A tecnologia de armadilhas de íons tem sido considerada uma das principais candidatas à implementação física do processamento de informação quântica. Este procedimento fornece os protocolos detalhados para microfabricar um chip aprisionador, bem como para construir uma montagem experimental destinada a aprisionar íons, utilizando o chip de armadilha microfabricado.Sistemas de armadilhas iônicas desenvolvidos pela tecnologia de microfabricação oferecem grande potencial para o processamento de informações quânticas e computação quântica. E os protocolos apresentados aqui irão orientar sobre o processo de fabricação e a montagem de experimentos com armadilhas iônicas. A demonstração visual deste método é fundamental, pois exige a coordenação de diversos componentes, como lasers, sistemas de imageamento, uma câmara de vácuo, eletrônicos e microfabricação.Para realizar o experimento, primeiramente é necessário fabricar o chip com armadilha de íons de superfície. Este é um exemplo de um chip montado em um suporte que é utilizado nesta demonstração. As características do chip são representadas neste esquema, que inclui um orifício de carga, pelo qual átomos neutros são introduzidos.Em ambos os lados do compartimento de carregamento, há eletrodos de radiofrequência para confinar íons em direções perpendiculares ao compartimento. Tensões contínuas (DC) nos eletrodos externos confinam os íons ao longo desse compartimento. Tensões contínuas (DC) nos eletrodos internos ajudam a inclinar o eixo principal do potencial total.Para o experimento, monte o chip embalado em uma câmara de ultra alto vácuo. Neste caso, o chip está no centro de uma câmara em forma de octógono esférico. Os elementos do sistema de ultra alto vácuo são representados nesta visão esquemática geral.A bomba iônica e o getter não evaporativo podem atingir pressões abaixo de 3 x 10⁻¹¹ Torr. O octógono esférico inclui um forno flutuado com os átomos de itérbio. O octógono esférico é representado no centro deste esquema da configuração óptica final.O chip microfabricado está no centro do octógono. Passagens permitem conexões elétricas aos eletrodos do chip dentro do forno do octógono. Os elementos ópticos são dispostos de modo que três lasers de diodo produzam feixes que se sobrepõem na posição de aprisionamento. Uma porta de visualização recuada no octógono esférico permite que uma lente de imagem se aproxime da superfície do chip. Imagem a superfície do chip com uma câmera CCD de multiplicação eletrônica. Conecte cabos multicanal a um conversor digital-analógico.Conecte a outra extremidade dos cabos multicanal aos passantes do octógono esférico. Além disso, faça as conexões apropriadas dos passantes a um ressonador helicoidal. Em seguida, trabalhe com o ressonador, um analisador de espectro e um acoplador direcional.Conecte a saída do gerador de RF à saída do acoplador direcional. Em seguida, conecte a entrada do ressoador à porta de entrada do acoplador direcional. Conecte a porta acoplada direta à entrada de RF do analisador de espectro.Termine a porta acoplada reversa com um resistor de 50 ohms. Agora, prepare-se para ajustar a tampa do ressonador helicoidal. Defina a posição da tampa do ressonador helicoidal e, em seguida, varra as frequências do gerador para identificar a frequência na qual a reflexão é mínima.Continue ajustando o ressoador regulando a posição da tampa. Enquanto isso, monitore a varredura de frequência para encontrar a frequência do mínimo global da potência refletida. Ao encontrar o mínimo global, fixe a posição da tampa do ressoador.Desligue o gerador de RF antes de continuar. Para prosseguir, posicione todos os lasers, estabilize-os e bloqueie-os para segurança. Desbloqueie o laser de 369,5 nanômetros e colime o feixe.O feixe deve propagar-se em direção ao chip aprisionado. Alinhe o feixe paralelamente ao chip, quase tocando sua superfície. Use um cartão de feixe, oposto ao ponto de entrada do feixe, para testar o alinhamento; um ponto visível indica que o feixe não está refletindo em nenhuma superfície.Em seguida, monte uma lente de foco em uma plataforma de translação. Posicione a lente de forma a focalizar o feixe próximo ao potencial de aprisionamento, mantendo-o ainda paralelo à superfície do chip. Prossiga para trabalhar com a óptica de imageamento.Escolha uma lente de imagem com alta abertura numérica montada em uma plataforma de translação. Coloque-a diante da janela recuada da câmara de ultra alto vácuo. Esta é uma vista esquemática da montagem com a lente de imagem posicionada.Em seguida, alinhe o feixe do laser para que haja alguma dispersão pela superfície do chip. Use um cartão de feixe como antes para verificar se o feixe está parcialmente bloqueado. Prossiga colocando o cartão de feixe próximo ao plano da imagem da lente de imageamento.Ajuste a posição da lente de imagem com uma plataforma de translação. A nova posição deve permitir que a luz dispersa produza uma imagem nítida na placa de feixe. Agora, coloque um CCD de multiplicação eletrônica na plataforma de translação no plano de imagem da lente.Na frente do CCD, coloque um filtro de banda para bloquear a luz de fundo. Os eletrodos devem estar visíveis, utilizando o conjunto de CCD e lente. Em seguida, alinhe o feixe verticalmente para que ele atravesse o potencial de aprisionamento.Em seguida, monitore o feixe e mova-o em direção à superfície da armadilha. Assuma dispersão máxima do feixe, o que indica que o centro do feixe está na superfície do chip. Agora, use o estágio de translação da lente para mover o feixe até a altura esperada do potencial de aprisionamento.Após esse ajuste, mova os estágios de translação da lente de imagem e do CCD para trás pela mesma distância e anote a posição. Esta é a vista esquemática do sistema neste momento. O feixe passa pela posição esperada da armadilha.Continue após desbloquear os outros dois lasers e comece a alinhá-los. Substitua o filtro de passagem de banda na frente do CCD por um filtro de passagem de banda de 399 nanômetros. Em seguida, ajuste a lente de imagem e as posições do CCD para colocar os eletrodos em foco no CCD.Alinhe o feixe colimado de 399 nanômetros para que entre na câmara de vácuo, propagando-se em direção oposta ao feixe de 369,5 nanômetros e sobrepondo-se a ele. Introduza um espelho e um espelho dicróico para combinar os dois feixes, de modo que eles se propaguem juntos na câmara. Para testes, adicione temporariamente um espelho ao trajeto do feixe antes da câmara e verifique a sobreposição dos feixes com um analisador de feixe.Introduza uma lente de foco em uma plataforma de translação no trajeto do feixe entre o espelho dicromático e os espelhos temporários. Utilize o perfilador de feixe para verificar o foco dos dois feixes. Neste caso, os dois lasers não estão focados no mesmo ponto, como deveriam estar.Por fim, alinhe o laser de 935 nanômetros para trazer os lasers para coincidência. Uma vez feito isso, remova o espelho temporário e certifique-se de que o feixe de 399 nanômetros possa ser observado no CCD. Alinhe verticalmente o feixe com a posição esperada da armadilha e, em seguida, mova o feixe em direção ao chip.Monitore a imagem do CCD e associe a intensidade máxima da luz espalhada à centralização do feixe na superfície do chip. Em seguida, mova o feixe da superfície para a posição esperada do armadilhamento. A seguir, mova a lente de imagem e o CCD de volta na mesma distância.Em seguida, ajuste o laser de 399 nanômetros próximo à transição apropriada do itérbio 174. Monitore a imagem do CCD enquanto o forno com itérbio é ligado e a corrente é aumentada. Faça isso enquanto varre o laser pela ressonância do itérbio, para identificar o início da evaporação, observando a fluorescência.Observe o valor da corrente logo antes da fluorescência e desligue o forno. Faça os preparativos finais para aprisionar os íons. Retorne ao filtro de passagem de banda no CCD e substitua-o por um filtro de passagem de banda de 369,5 nanômetros.Além disso, ajuste as posições do CCD e da lente de imagem para o foco em 368,5 nanômetros. Defina as tensões para o conversor digital-analógico que controla os eletrodos. Em seguida, vá até o gerador de RF conectado ao ressonador helicoidal.Ligue o gerador em uma configuração de potência muito baixa e aumente gradualmente a potência de saída. No computador de controle do laser, ajuste as frequências do laser e a fonte de corrente do forno aos seus valores apropriados. Após alguns minutos, bloqueie brevemente o laser de 935 nanômetros por um a dois segundos para iniciar um teste de aprisionamento.Visualize a armadilha com o CCD. Se íons estiverem aprisionados, a taxa de espalhamento diminui significativamente e a imagem é notavelmente afetada. Bloqueie o laser várias vezes para verificar se o bloqueio está correlacionado com as alterações na imagem.Uma vez que os íons estejam aprisionados, desligue o forno. Este composto de imagens de CCD com multiplicação eletrônica sugere a localização de cinco íons de itérbio 174 1+ aprisionados em um chip de armadilha de íons microfabricado. O número de íons aprisionados pode ser variado alterando as tensões contínuas aplicadas.Neste vídeo de íons aprisionados, os íons estão sendo manipulados por meio da variação das tensões contínuas (DC) do aprisionador. Os protocolos para fabricação de aprisionadores de íons de superfície e para aprisionamento de íons do isótopo 174 do itérbio foram apresentados neste vídeo. Este procedimento pode ser facilmente estendido para aprisionar íons de itérbio do isótopo 171 e manipular estágios cúbicos, avançando eventualmente rumo ao processamento de informações quânticas e à computação quântica.

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Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

Neste artigo, apresentamos um método baseado em microfluídicos para o confinamento de partículas com base no fluxo hidrodinâmico. Demonstramos prendendo partículas estáveis ​​em um ponto de estagnação de fluidos utilizando um mecanismo de controle feedback, permitindo assim confinamento e micromanipulação de partículas arbitrário em um microdispositivo integrado.

A Armadilha hidrodinâmica microfluídicos baseados em partículas individuais

Isotachophoresis (ITP) é uma separação eletrocinética robusto e técnica de pré-concentração com aplicações que vão desde a detecção da toxina da preparação da amostra. Revemos os princípios físicos de ITP ea metodologia de aplicar esta técnica para dois exemplos de aplicações específicas: separação e detecção de moléculas pequenas e purificação de ácidos nucleicos a partir de lisados ​​de cultura de células.

On-chip Isotachophoresis para separação dos íons e purificação de ácidos nucléicos

Os detalhes de instalação a seguir abordagem armadilhas de baixa potência óptica do dielétrico nanopartículas usando um duplo-nanohole no filme de metal.

Captura óptica de nanopartículas

Pouso suave de íons selecionados em massa em superfícies é uma abordagem poderosa para a preparação altamente controlado de novos materiais. Juntamente com a análise por espectrometria de massa de íons secundários situ (SIMS) e espectroscopia de absorção de infravermelho de reflexão (IRRAS), soft landing fornece insights sem precedentes sobre as interações de espécies bem definidas com superfícies.

In situ SIMS e IR Espectroscopia de Superfícies bem definidos preparados pela Soft Landing de Íons Mass-selecionados

Os transportadores nas membranas celulares permitem a segregação diferencial de íons através das membranas celulares ou camadas celulares e desempenham papéis cruciais durante a fisiologia, reparo e patologia dos tecidos. Descrevemos o microeletrodo de auto-referência íon-seletivo que permite a medição de fluxos de íons específicos em células e tecidos individuais in vivo.

Medição de Extracelular Ion Fluxos Usando a técnica microeletrodos de auto-referência íon-seletivo

Aqui, descrevemos a fabricação e operação de um sistema microfluídico de camada dupla feito de polidimetilsiloxano (PDMS). Demonstramos o potencial deste dispositivo para aprisionamento, direcionando a via de coordenação de um material molecular cristalino e controlando reações químicas em estruturas presas no chip.

Gaiolas pneumáticas microfluídicos: uma nova abordagem para In-chip de cristal Trapping, Manipulação e controlada Tratamento Químico

Um protocolo para lançar e capturar de forma estável micropartículas dielétricas selecionadas no ar é apresentado.

Armadilha óptica carregamento de dielétrico micropartículas no ar

Um processo de fabricação microchip, que incorpora uma pinça plasmonic é apresentado aqui. O microchip permite a imagiologia de uma partícula preso para medir as forças máximas de armadilhagem.

Plasmonic captura e liberação de nanopartículas em um ambiente de Monitoramento

O protocolo para uma plataforma nova polarização da concentração de iões (ICP) que pode parar a propagação da zona de ICP, independentemente das condições de funcionamento é descrito. Esta capacidade única da plataforma encontra-se na utilização de fusão depleção de iões e de enriquecimento, que são duas polaridades do fenómeno ICP.

Mesclando Ion polarização de concentração entre justapostos Troca Iônica Membranas para bloquear a propagação da Zona Polarização

Este protocolo descreve a iontoforese em tempo real, um método que mede os parâmetros físicos do espaço extracelular (ECS) dos cérebros vivos. A difusão de uma molécula inerte liberada no ECS é utilizada para calcular a fração de volume ECS e tortuosidade. É ideal para estudar alterações reversíveis agudas na ECS cerebral.

Itoforese em tempo real com tetrametilamônio para quantificar fração de volume e tortuosidade do espaço extracelular cerebral

Este artigo descreve o método experimental para alcançar aprisionamentos estáveis e de longa duração e posicionamento preciso de grandes partículas metálicas no ar, utilizando uma armadilha fotoforética dinâmica em forma de barco. Esse sistema permite manipulação controlada adequada para estudos de interação plasmônica.

Aprisionando ópticamente grandes partículas metálicas no ar usando uma armadilha tipo &#39;barco&#39; com paredes laterais puxadas diretamente

Aprenda a preparar armadilhas de íons de superfície microfabricadas para processamento quântico usando íons de itérbio. Este protocolo detalhado guia a construção de experimentos de aprisionamento em câmara de vácuo.

Os métodos experimentais de armadilhagem sem crueldade íons usando Microfabricated íon armadilhas de superfície

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