Projekt B03: Multi-Ionenspektroskopie für optische Uhren

Auf einzelnen Ionen basierende optische Uhren gehören zu den genauesten Messinstrumenten überhaupt, mit nachgewiesenen systematischen Frequenzunsicherheiten im Bereich von 10-18. Die in diesen Experimenten verwendeten Ionenfallen ermöglichen lange Abfragezeiten des Uhren-Ions, erlauben eine ausgezeichnete Kontrolle über interne und externe Freiheitsgrade und schirmen es gleichzeitig von äußeren Störeinflüssen ab. Optische Einzel-Ionen-Uhren stoßen jedoch an eine grundlegende Grenze: Das einzelne Ion ermöglicht nur ein kleines Signal-Rausch-Verhältnis, das direkt in die statistische Unsicherheit der Uhr einfließt.

In diesem Projekt wollen wir diese Einschränkung durch den Einsatz von Multi-Ionen- und Multi-Spezies-Ensembles für die Spektroskopie überwinden. Ein wichtiges Element ist eine neuentwickelte Fallenplattform, die für das stabile Speichern vieler Ionen geeignet ist und gleichzeitig ein hohes Maß an Kontrolle ermöglicht, wie dies bei Einzel-Ionen-Experimenten der Fall ist. Die kontinuierliche dynamische Entkopplung als eine von uns entwickelte, neuartige Technik ermöglicht die Unterdrückung inhomogener Effekte von Feldgradienten und Ionen-Ionen-Wechselwirkungen in großen Ionenkristallen. Neuartige Kühlmethoden für komplexe Multi-Spezies-Ionenkristalle erlauben eine effiziente Kontrolle der Multi-Ionen-Systeme. Ergänzt wird dies durch die Untersuchung von Systemen verschränkter Ionen zur Reduzierung der statistischen Unsicherheit von optischen Frequenzstandards.

Als nächsten Schritt werden wir den UV-Optik-Aufbau zur direkten Detektion von In⁺ implementieren und charakterisieren, sowie die erste Spektroskopie des In+ Uhrenübergangs in unserem Aufbau durchführen. Wir werden deterministisches Laden und Sortieren von gemischten Yb⁺/In⁺-Kristallen implementieren und optimale Konfigurationen für längere Ketten in Bezug auf Kühlzeiten und systematische Unsicherheiten untersuchen. Die Yb⁺-Ionen dienen dabei als Sonden zur Charakterisierung der Magnetfeldgradienten für In⁺.

Der 4f-Zustand in Yb⁺ weist eine hohe kinetische Energie auf, die dieses Atom sehr empfindlich auf relativistische Effekte macht. In diesem Projekt werden wir einen genauen Test der lokalen Lorentz-Invarianz (LLI) durchführen, der im Prinzip ein Quantenanalogon zum klassischen Michelson-Morley-Experiment ist: Hier untersuchen wir die Interferenz von maßgeschneiderten Quantenzuständen und suchen nach Variationen ihrer kinetischen Energie auf der Skala eines siderischen Tages.

Darüber hinaus werden wir ein robustes Schema von zusammengesetzten Pulsen implementieren (ein Ansatz ähnlich dem oben beschriebenen robusten optischen Uhrenübergang), um eine mögliche Verletzung der lokalen Lorentz-Invarianz im f-Zustand von Yb⁺ mit verbesserter Empfindlichkeit zu testen. Als nächsten Schritt werden wir die deterministische Verschränkung mehrerer Ionen für einen Test der LLI mit noch weiter verbesserter Empfindlichkeit untersuchen (zusammen mit Projekt A06).

Wir werden die kontinuierliche dynamische Entkopplungstechnik auf große Ca-Ionen-Kristalle ausdehnen und eine verbesserte Stabilität demonstrieren, um den Weg für robuste optische Übergänge in Multi-Ionen-Kristallen zu ebnen. In Zukunft könnte ein solcher Kristall als Vorstabilisierungsstufe in einem kaskadierten Uhrenschema verwendet werden, wenn ein Al⁺-Ca⁺-Kristall in einem anderen Fallensegment abgefragt wird, wodurch eine hohe Stabilität des großen Ca⁺-Kristalls mit der hohen Genauigkeit des Al⁺-Ca⁺-Kristalls kombiniert wird.

Schließlich bauen wir derzeit ein Experiment auf, um eine Verschränkung zwischen zwei Ca⁺-Ionen zu erzeugen, mit dem Ziel, den Nutzen der Verschränkung für die Spektroskopie zu untersuchen. Dazu werden wir das von Mølmer-Sørensen vorgeschlagene Schema zur Erzeugung von Verschränkung anwenden, wie in der Gruppe von C. Ospelkaus (siehe Projekt A01) gezeigt.