完全繊維

Nov 18, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 523 (2023) この記事を引用

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トラップされたイオンは、量子技術の展開のための有望なプラットフォームです。 しかし、従来のイオントラップ実験は、自由空間光学系を使用するため、かさばり、環境に影響されやすい傾向があります。 ここでは、トラップ構造内に直接埋め込まれた統合型光ファイバーを備えた単一イオントラップを紹介します。これにより、レーザー光が送られ、イオンの蛍光が収集されます。 これにより、光学窓が不要になります。 システムのパフォーマンスを特徴付け、シグナル対バックグラウンド比が 50 程度でイオンの蛍光を測定します。これにより、600 \(\upmu\) 秒で 99% 以上の忠実度で内部状態の読み出し測定を実行できます。 22 ～ 53 \(^{\circ }\)C の範囲の熱変化に対するシステムの回復力と、34 Hz と 300 Hz でのシステムの振動回復力をテストしましたが、その性能への影響は見られませんでした。 当社のファイバ結合トラップはコンパクトさと堅牢性を兼ね備えているため、研究室環境内だけでなく屋外でのアプリケーション、特にポータブル光原子時計などの非常にコンパクトなポータブル量子技術に最適です。 私たちのシステムは 40Ca+ イオンをトラップするように設計されていますが、基本的な設計原理は他のイオン種にも適用できます。

トラップされたイオンは、幅広い量子技術の有望な候補です。 それらは本質的に再現可能なシステムであり、長いコヒーレンスとトラッピング寿命を示し、その内部および外部の量子状態を準備、読み出し、操作する技術は十分に開発されています。 このため、量子情報処理 1,2、精密分光法 3、基礎物理学のテスト 4,5 などでの使用に非常に適しています。 新しいイオントラップ構造および関連する真空システムの開発と小型化は目覚ましい進歩を遂げていますが、トラップされたイオンの状態を操作および検出するために必要な光学システムは依然として主に自由空間光学に基づいています。 これにより、コンパクトなイオントラップが大量の光学コンポーネントに囲まれたままになりますが、これらのコンポーネントはドリフトや振動の影響を受けやすいため、定期的な再調整が必要になります。これは、自由空間光学系がビーム指向の不安定性を引き起こし、それによってシステムの性能が低下する可能性があるためです。 研究室ベースの研究システムの場合、これは許容できるかもしれませんが、研究室の外で運用する場合、これは大きな障壁となります。 特に、ビームステアリングおよび検出光学系は振動、温度変動、およびドリフトの影響を受けやすいため、現場で使用可能な計測およびセンサーシステムでの捕捉イオンの使用が妨げられます。

近年、光ファイバーを使用して蛍光検出光学系をイオントラップ構造に統合することが進歩しています8、9、10。 これにより、位置ずれやドリフトが起こりやすい開口数の大きなレンズが不要になり、光子検出器への接続が容易になります。 しかし、これには、空間フィルタリングがないため、トラップ電極または周囲の構造によって散乱された光に対する感度が高くなるという欠点が伴います。 もう 1 つのアプローチは、統合された超伝導単一光子検出器 11 と単一光子アバランシェ フォトダイオード 12 を使用することです。 これらは優れた収集効率を提供しますが、3 次元トラップ構造とは対照的に、平面イオン トラップに最適です。後者は、加熱速度が低く、トラップ効率が高いため、原子時計アプリケーションに好まれます。 さらに、超電導デバイスは極低温で動作する必要があるため、非常にコンパクトで持ち運び可能なシステムでの使用が妨げられます。 3 番目のアプローチは、真空内集積光学系を使用して、真空外の光学素子と連携してイオン蛍光の収集を最大化する 13、14、15 です。 これらのソリューションは平面イオン トラップに適しており、特にマルチ イオン システムにとって興味深いものですが、それでも窓付き真空チャンバーと外部光学コンポーネントの慎重な位置合わせが必要です。

表面イオントラップの基板に埋め込まれた光導波路を使用して、送達光学系の統合も進んでいます16、17、18、19。 ここでは、回折カプラーを使用してビームをイオンの位置に集束させます。 これにより、機械的に堅牢で再調整の必要のないシステムが実現し、十分に小さなビームウェストが生成されます。 ただし、入力ファイバと埋め込まれた導波路の位置を調整するのは難しい場合があり、全体的な光伝送効率が低くなります。 表面トラップに統合されたシングルモード光ファイバーを使用した単一波長ビームの配信も報告されています 20 が、これまでのところ、すべての配信ビームと蛍光収集の完全な統合は示されていません。

この記事では、外部の自由空間光学系や光アクセスの必要性を排除した、ファイバー統合型イオントラップ構造を紹介します。 10 に基づくエンドキャップ スタイルのイオン トラップは、蛍光収集用の rf 電極の 1 つに統合された光マルチモード ファイバーを備えており、真空内光ファイバーと集束光学系を使用して必要なレーザー光をイオンに供給します。 このレーザー送出構造により、トラップの組み立て中に個々のビームの偏光と角度を柔軟に調整することが容易になります。 マルチモード集光ファイバーの幾何学的配置、イオンへの近接性、および送出光学系による良好なモード形状により、空間フィルターを使用しなくても、高い信号対バックグラウンド比でイオンの蛍光を測定できます。 さまざまな温度と振動条件下でシステムの特性を評価し、その性能が環境条件の変化に影響を受けないことを示しました。 このトラップ設計はコンパクトなサイズ、堅牢性、柔軟性を備えているため、研究室外での単一イオン実験、特にポータブル光原子時計でのアプリケーションに最適です。

当社のシステムはカルシウムイオンを捕捉するように設計されています。 40Ca+ は、イオン化、冷却、再ポンピング、クエンチング、およびクロック遷移の分光調査に必要なすべての波長がコンパクトなダイオード レーザーを通じてアクセスできるため、携帯型光原子時計やセンサーの用途に特に適しています。 さらに、これらすべての波長は光ファイバーコンポーネントと互換性があり、これはセットアップの小型化と耐久性の向上に不可欠です。

40Ca と 40Ca+ の関連するエネルギー準位を図 1 に示します。中性 40Ca をイオン化するには、423 \(\hbox {nm}\) の共鳴遷移と 375 \(\hbox {nm}\) の非共鳴光を使用します。 }\)。 397 \(\hbox {nm}\) で 40Ca+ の冷却遷移を使用し、再ポンピングは 866 \(\hbox {nm}\) の光または 850 \(\hbox {nm}\) の組み合わせで行うことができます。そして 854 \(\hbox {nm}\) の光。 40Ca+ のクロック遷移は 729 \(\hbox {nm}\) です。 854 \(\hbox {nm}\) 遷移は、クロック問い合わせ読み出しステップに続いてイオンを D5/2 状態からクエンチするために使用することもできます。

40Ca のイオン化と 40Ca+ 原子時計の動作に関連するエネルギー レベル。 この研究では、850 \(\hbox {nm}\) および 854 \(\hbox {nm}\) リポンプと 397 \(\hbox {nm}\) 遷移を使用してイオンを冷却します。 40Ca+ の時計遷移は 729 \(\hbox {nm}\) です。 波長は、同じタイプの光ファイバーを通過できるビームを表すために色 (青、オレンジ、または赤) ごとにグループ化されています。 実線の矢印は、この作業で使用される波長を示します。

図2に概略的に示されているトラップは、3次元のRF閉じ込めを提供するエンドキャップ型トラップです。 これは、互いに対向する 2 セットの円筒形の同心電極で構成され、トラップの中心は電極アセンブリ間のギャップにあります。 内側の電極は高周波電位に接続され、外側の電極はアースに接続されます。 内側の rf 電極は中空で、蛍光収集に使用されるマルチモード ファイバーが収容されています。 内部電極の外径は 500 \(\upmu \hbox {m}\) で、接地電極から 250 \(\upmu \hbox {m}\) 突き出ています。 外側電極の内径と外径はそれぞれ 800 \(\upmu \hbox {m}\) と 1.78 \(\hbox {mm}\) で、45\(^{\circ }\) で先細になっています。光アクセス角度を増加させ、レーザービームのクリッピングを防ぎます。 内側電極と外側電極の間にはアルミナ チューブが使用され、同心性を維持しながら電気的に絶縁されています。 電極とアルミナ スペーサーは、UVH 互換エポキシ (EPO-TEK 353ND) を使用して接着されます。

rf 電極間の軸方向の間隔は 500 \(\upmu \hbox {m}\) です。 内部電極は、電極の背面で主高周波電源に接続されています。 外側電極は、一対のコンデンサを介してトラップ本体に接続することにより接地されます。 これにより、AC 接地したまま、軸方向の微動補正用の DC 電極として使用できます。 2 つの DC 電極を利用して、半径方向の面に微動補償電圧を供給します。 カルシウムが充填された抵抗加熱されたタンタル管が、トラップを保持する銅製本体の内側に取​​り付けられており、カルシウムディスペンサーとして機能します。 2 つのピンホールがカルシウム原子ビームを平行にして内部電極間を通過します。

ファイバー一体型イオントラップの概略図。 温度センサー、配線、直流電極は省略されています。 左: トラップの概要。光の伝達に使用される偏波保持 (PM) ファイバーと蛍光収集に使用されるマルチモード (MM) ファイバー、およびファイバー、DC、RF フィードスルーを示しています。 右下: 屈折率分布型 (GRIN) レンズ コリメータと配信ビームがたどる経路、および rf デカップリング コンデンサを示すトラッピング構造を拡大表示します。 右上: 電極構造の拡大断面図。RF 電極内に埋め込まれた MM ファイバーが示されています。 イオンの位置は水色の円で表されます (縮尺は一定ではありません)。

蛍光収集ファイバーを電極アセンブリに組み込むことにより、ファイバーが高周波電極と同心であり、従ってイオンの予想される位置に位置合わせされるため、位置合わせの必要性がなくなる。 したがって、このシステムはファイバー位置の小さな位置ずれの影響を受けにくく、機械的振動や熱ドリフトに対して本質的に堅牢になっています。

蛍光収集に使用されるマルチモードファイバ(Thorlabs FG200UEA)のコア直径は200 \(\upmu \hbox {m}\)、クラッド直径は220 \(\upmu \hbox {m}\)です。 コアは純シリカでできており、クラッドはフッ素ドープシリカでできています。 ファイバーのアクリレート保護コーティングが剥がされ、その端は 11 \(\hbox {mm}\) を超えて直径 190 \(\upmu \hbox {m}\) まで先細りになり、RF にしっかりとフィットします。電極の内側の穴。 マルチモード ファイバは、rf 電極の前面に対して 90 ～ 100 \(\upmu \hbox {m}\) 引っ込められます。 ファイバーは、UHV 互換エポキシ (EPO-TEK 301-2) を使用して、rf 電極の背面に接着されます。

マルチモードファイバーで収集された光は、狭帯域バンドパスフィルターを使用してスペクトルフィルター処理され、光電子増倍管検出器 (PMT) を使用してイオンの蛍光を測定します。 システムの形状に基づくと、ファイバーによって捕捉される光の割合は開口数によって制限される約 1.2% であり、2 本のファイバーを使用する場合は合計で約 2.4% が可能であることを意味します。 この作業では、組み立てプロセスの後半段階で 2 番目のファイバーが偶発的に破損したため、1 つのファイバーのみが使用されました。 イオンと PMT の間の光学損失は、MM ファイバーの入力面と出力面での反射損失 (屈折率 1.4721 と仮定して、各表面で 3.6%)、ファイバーに沿った伝播損失 (400 度で 1%) で構成されます。 \hbox {nm}\) (1 \(\hbox {m}\) ファイバーの場合) とバンドパス フィルターによる伝送損失 (397 \(\hbox {nm}\) で 7%)、合計15％の損失。 400 \(\hbox {nm}\) での PMT の公称光子検出効率が 30% である場合、全体の蛍光検出効率は約 0.3% (両方のファイバーで 0.6%) になります。

40Ca のイオン化と 40Ca+ イオンの冷却と再送出に必要なレーザー ビームを供給するために、さまざまな波長グループに対応するさまざまな既製の光ファイバーを使用します (図 1 を参照)。 これらはすべてシングルモード偏波保持ファイバーです。 当社では、光イオン化レーザーと冷却ビームを供給するために紫外線（UV）ファイバー（Thorlabs PM-S405-XP）を使用し、リポンプビームを供給するために単一の赤外線（IR）ファイバー（Thorlabs PM780-HP）を850円で使用しています。 (\hbox {nm}\) と 854 \(\hbox {nm}\)。 この IR ファイバーは、866 \(\hbox {nm}\) で光を届けるのにも使用できます。 さらに、このシステムには、別の冷却ビーム用の 2 つ目の UV ファイバー (この研究では使用されていません) と、将来のクロックレーザー用の専用ファイバー (Thorlabs PM630-HP) が装備されています。 ファイバは、22 で説明されている光ファイバ フィードスルーを使用して真空システムに供給されます。これらの光ファイバ フィードスルーはすべて独立してテストされ、リーク レートが測定限界の 1 \(\times 10^{-9}\) mbar.l/s を下回っていることが確認されました。

設計焦点距離 10 \(\hbox {mm}\) の反射防止コーティングを施した屈折率分布型 (GRIN) レンズを使用して、ファイバー出力をトラップの中心に集束させます。 デリバリー ファイバーは GRIN レンズのすぐ後ろのセラミック フェルール内に設置され、ファイバーとレンズの距離は 100 \(\upmu \hbox {m}\) 未満です。 これらのレーザー照射システムは、測定されたビームウェスト \(w_0\) (\(1/e^2\) 半径) が 5.71(6) \(\upmu \hbox {m} である、回折限界に近いビームを生成します。 397 \(\hbox {nm}\) ビームの場合は \) および 5.43(2) \(\upmu \hbox {m}\)、729 ビームの場合は 9.82(7) \(\upmu \hbox {m}\) \(\hbox {nm}\) ビームと 866 \(\hbox {nm}\) ビームの 11.1(1) \(\upmu \hbox {m}\)。 以下で説明するように、小さなビームウェストを十分に活用しているわけではありませんが、良好なモード形状とビームハローがないため、電極上で散乱するビームによるバックグラウンド数が最小限に抑えられます。 後で説明するように、これにより、空間フィルタリングを行わずに、高いシグナル対バックグラウンド比でマルチモード ファイバーを介してイオンの蛍光を測定できるようになります。 クロック遷移の調査はこの初期調査の範囲外であるため、この研究では 729 \(\hbox {nm}\) ビームが使用されていないことに注意してください。

ビームは、内部電極間に配置された散乱スクリーンとレーザービームの位置を観察するために使用される一対の顕微鏡を組み合わせて組み立て中に、RF トラップの幾何学的中心に位置合わせされます。 配送アセンブリの位置合わせは、3 次元のマイクロ位置決めステージを使用して行われ、トラップの幾何学的中心から 5 \(\upmu \hbox {m}\) 以内にビームを位置決めできたと推定されます。 位置ずれに対する堅牢性を高めるために、ビーム (\(1/e^2\)) の半径が予想される位置で約 25 \(\upmu \hbox {m}\) になるようにビーム焦点を配置しました。イオン。 位置合わせが最適化されたら、UHV 互換エポキシ (EPO-TEK H21D) を使用してレンズをトラップの本体に接着しました。 エポキシは 80 \(^{\circ }\)C で少なくとも 4 時間硬化され、その間、ビームの位置を揃えるために手動で移動ステージにフィードバックを加えました。 硬化プロセス後、ビームは通常、トラップの中心に 10 \(\upmu \hbox {m}\) 以内で整列したままになります。 小さなアライメント変化は、硬化プロセス中にエポキシに蓄積された応力によるものであると考えられます。

0.14 \(\upmu \hbox {W}\) で測定された不飽和冷却遷移スペクトル プロファイル。 オレンジ色の実線は、赤の離調データに対するローレンツ近似であり、40Ca+ 冷却遷移の自然な線幅に近い近似された線幅を示しています。 オレンジ色の破線は、トラップ内にイオンなしで測定された計数率、つまりバックグラウンド散乱計数率を示します。

トラップの特性を評価するために、光学窓を備えた真空チャンバーを使用します。 これにより、sCMOS カメラ (Andor Zyla) を使用して特性評価中にイオンを観察できるようになりますが、これはトラップの操作には必要ありません。

このシステムは、ゲッターイオン組み合わせポンプ (Saes NEXTorr D 100-5) を使用して \(\lesssim\)10\(^{-10}\) \(\hbox {mbar}\) まで減圧されました。 ベークアウトとポンピングの後、光学的な位置合わせが必要なかったため、試行後最初の 2 日間でイオンがトラップされました。 PMT の前に適切なバンドパス フィルターを使用することにより、原子蛍光とイオン蛍光の両方をマルチモード ファイバーを通じて観察できます。

トラップは、共振トランスを介して 13.7 \(\hbox {MHz}\) の周波数で駆動されます。 永年周波数は、軸方向で 0.6 \(\hbox {MHz}\) から 4.5 \(\hbox {MHz}\) の間、および 0.4 \(\hbox {MHz}\) から 2.0 \(\hbox { MHz}\)を半径方向に。 トラップの a 値が無視できる (\(a_{x,y,z}\ほぼ 0\)) と仮定すると、q 値は \(q_{x,y} =\) 0.08 ～ 0.41 の範囲内にあり、 \(q_z =\) 0.12 ～ 0.92。

外部漂遊磁場による過剰な微動は、トラップ深さ変調法と光子相関法を組み合わせて補正されます23。 負荷から負荷まで、微動補正電圧値は少量 (\(\lesssim\)5%) しか変化せず、それ以外は安定しています。

予想されるイオンの寿命は数時間であるのに対し、このトラップ内のイオンの寿命は約 10 分です。 これは電極構造内部の仮想的な漏れによるものと考えられます。 粘度の高い UHV 対応エポキシ (EPO-TEK H21D など) を使用すると、毛細管現象により MM ファイバーと rf 電極の間にガスポケットが形成される可能性が低くなります。

微動を補正して、冷却遷移スペクトル プロファイルを測定しました。 これらの測定は、マルチモード ファイバーの出力で蛍光 PMT カウントを記録しながら、音響光学変調器を使用して 397 \(\hbox {nm}\) レーザーの周波数をスキャンすることによって実行されます。 図 3 は、冷却レーザー出力 0.14 \(\upmu \hbox {W}\) のスペクトルを示しています。 ローレンツ関数をデータに当てはめると、11.1(2) \(\hbox {MHz}\) の半値半幅 (HWHM) を抽出できます (自然遷移 HWHM は 10.8 \(\hbox {MHz}\) 24）。 さまざまなパワーに対してこの測定を繰り返すと、ラインの広がりへの主な寄与はパワーの広がりであり、ゼロパワーでの HWHM は自然な半幅に収束することがわかります。 信号対バックグラウンド比 \(SBR = (SB)/B\) (S は遷移のピークにおける計数率、B はイオンなしで測定されたバックグラウンド計数率) は、次の理由による冷却レーザー出力に依存します。勢力の拡大。 最良の値は、電力の広がりが無視できる 0.2 \(\upmu \hbox {W}\) 未満の電力で得られ、SBR は 50 程度でした。トラップの動作に使用される一般的な冷却電力の場合 (3 から 3 の間) 4 \(\upmu \hbox {W}\))、SBR は 10 ～ 20 程度です。

さらに、さまざまなレーザー出力での一連の HWHM 測定を使用して、イオンに対する冷却レーザー ビームの位置を推定しました。 イオンの位置におけるレーザー強度は、パワーブロードニングから推測できます。 これを実際のレーザーパワーおよびイオンの位置でのビームウエストと比較すると、イオンがビームのガウスプロファイル内のどこに位置するかを計算できます。 イオンからビーム中心までの距離は 10.8(1.1) \(\upmu \hbox {m}\) であることが判明しましたが、不確実性はイオンの位置でのレーザー出力の測定によって支配されます。 ビームウエストが 25 \(\upmu \hbox {m}\) であるため、イオンは冷却レーザー ビーム内に十分に収まります。

次に、明るい状態または暗い状態でイオンを準備し、PMT で測定されたフォトン カウンティング統計を比較することにより、トラップ内の状態検出の忠実度を特徴付けます。 明るい状態は、イオンを冷却サイクルに維持することによって、つまり冷却レーザーとリポンプをオンにし続けることによって得られます。 暗状態は、リポンプのスイッチをオフにすることによって得られ、イオンを D 状態に保ちます。 状態読み出しの忠実度を決定するという点では、これはイオンを S1/2 (明るい) または D5/2 (暗い) 状態に準備することと同等です (729 \(\hbox {nm}\) 遷移)。 測定シーケンスを図 4b に示します。 PMT に到着する光子は、暗いイオンと明るいイオンの両方について、長さ \(\tau _\text {w}\) の時間窓にわたってカウントされます。 測定は複数回繰り返され、2 つのヒストグラムが取得されます。 これらの例を図 4a に示します。

イオンの状態を判断するために、閾値 \(n_{th}\) が定義され (図 4a の横軸に沿って)、この値を超えるとイオンは明るいとみなされ、それを下回るとイオンは明るいとみなされます。暗いと思われます。 明るい状態の場合、検出忠実度は次の式で求められます。

\(h_{B,D}(n)\) は、光子数 n の関数としての明るいヒストグラムと暗いヒストグラムです。 同様に、暗状態の検出忠実度は次の式で与えられます。

次に、状態検出の忠実度が 2 つの間の平均 \(F=\frac{1}{2}\left( F_B+F_D \right)\) として計算されます。

(a) 測定ウィンドウ \(\tau _\text {w}\) = 600 \(\upmu \hbox {s}\) の状態検出測定。 オレンジ (青) のヒストグラムは、暗い (明るい) 状態で調製されたイオンに対応します。 線はデータにポアソンフィットしたもので、参照のみを目的としています。 (b) 状態検出測定に使用されるパルス シーケンス。 冷却レーザーは常にオンのままですが、リポンプ装置は定期的にオンとオフを切り替えてイオンを暗状態と明状態の間で切り替えます。 影付きの領域は、明るいヒストグラムと暗いヒストグラムにカウントが追加される測定ウィンドウ時間を表します。 イオンが確実に棚上げされた（棚卸しが解除された）ことを確認するために、リポンプをオフ（オン）にしてから測定ウィンドウまでの間に 100 \(\upmu\) 秒の遅延があります。

最適な \(n_{th}\) の値は、検出ウィンドウ時間、冷却およびリポンプのレーザー出力、およびライン中心に対するそれらの離調によって異なります。 さまざまな検出ウィンドウ時間と冷却レーザー出力に対する状態検出の忠実度を測定したところ、600\(\upmu\)s という短い検出期間でも 99% を超える状態検出の忠実度を達成できました (図 4 の例)。 。 状態検出の忠実度は、有限状態準備の忠実度、有限状態の寿命、またはその他の有害な影響を補正することなく、測定されたデータから直接計算されます25。また、測定されたヒストグラムの統計的分布についてはいかなる仮定も行っていません。 電極のクリッピングが低く、近赤外光に対する PMT の感度が低いため、およびバンドパス フィルターにより、再ポンプ レーザーからの測定可能な散乱はありません。

冷却レーザー出力 1.6 \(\upmu \hbox {W}\) における室温での蛍光減衰率の測定。 オレンジ色の線はデータの指数関数的近似であり、そこから減衰時定数 \(\tau _\Omega\) を抽出できます。 挿入図: \(\tau _\Omega\) の測定に使用されるパルス シーケンス。

温度変化に対するファイバー一体型イオントラップの安定性は、研究室環境以外で使用する場合に重要な要素です。 トラップ内の温度変化の影響をテストするために、D 状態までの光ポンピング時間 \(\tau _\Omega\) (イオンの位置でのレーザー強度に直接関係します) を測定します。トラップの温度。 そのために、抵抗加熱ベルトを使用して真空チャンバー全体を加熱し、システムを数分間加熱します。 温度は、トラップ構造上の異なる場所に直接取り付けられた 3 つの PT100 温度センサーを使用して測定されます (電極を保持する各ブロックに 1 つとメインの銅マウントに 1 つ)。

\(\tau _\Omega\) を測定するには、まずイオンを S1/2 状態に準備し、次にリポンプをオフにして冷却ビームのスイッチをオンにします。 蛍光は、イオンが D3/2 または D5/2 状態に移されるまで観察されます。 何度も繰り返すと、蛍光の指数関数的な減衰が観察されます (図 5 を参照)。 この減衰の時定数は \(\tau _\Omega\) で、これは冷却ビームのラビ周波数に直接関係します 26。 ビームの位置がずれていると、イオンは異なる光強度に曝露され、その結果、異なる時定数 \(\tau _\Omega\) が生じます。 図 6 の挿入図は、冷却ビーム出力に対する \(\tau _\Omega\) の依存性を示しています。 温度依存性に対するアライメント感度を高くするために、許容可能な計数率を維持しながら冷却遷移の飽和を回避するために、約 0.83(5) \(\upmu \hbox {W}\) の冷却力を使用して測定が行われました。 PMT。 図 6 は、22 \(^{\circ }\)C から 53 \(^{\circ }\)C までの温度範囲で測定された \(\tau _\Omega\) を示しています。 平均に対する変動は、異なる測定間（および測定中）のレーザーパワーの変化と一致しており、これがこれらの測定の不確実性の主な原因となっています。 ビーム中心はイオンの位置から 10.8 \(\upmu \hbox {m}\) 離れており、ビームウェストは 25 \(\upmu \hbox {m}\)、傾きは少なくとも 1.3 \(\図 6 の差し込みプロットの青く強調表示されたセクションでは、upmu\)s/\(\upmu\)W であり、光パワー レベルが完全に安定していると仮定すると、ビームの位置のシフトは ±1 \( \upmu \hbox {m}\)。 これは上限であり、\(\tau _\Omega\) の変動は観察されたレーザーパワーの変動 (5% 程度) と完全に一致しているため、実際のシフトはさらに低いと予想されます。 これは、調査した温度範囲内では、熱膨張と熱収縮がビームのアライメントに与える影響はごくわずかであることを示唆しています。

温度の変化に伴うもう 1 つの潜在的な問題は、熱で膨張または収縮するときにトラップの形状が変化することによって引き起こされる、イオンの過剰な微動の変化です。 微動補償電圧は、テストしたすべての温度で平均値の 3% 以内に一定のままであることがわかり、異なるトラップ負荷実行間で観察された変動と一致しました。

トラップ温度の関数としての蛍光減衰定数。 オレンジ色の水平線は、すべての測定値間の平均 \(\tau _\Omega\) です。 水平の誤差バーは、3 つの異なる熱センサーを使用して温度を読み取る際の統計誤差を表します。 垂直誤差バーは、\(\tau _\Omega\) の当てはめにおける統計誤差と、\(\tau _\Omega\) 対 P 曲線の傾きにレーザー出力 P を掛けた値を決定する際の誤差を組み合わせたものです。 挿入図: 22 \(^{\circ }\)C で測定したレーザー出力の関数としての蛍光減衰定数。 青色の影付きの領域は、主要な図のデータが取得されたパワー範囲を示します。

最後に、ファイバー結合イオントラップの機械的振動に対する回復力をテストします。 そのために、トラップが入っている真空チャンバーに 2 つの異なる振動源を取り付け、その性能を評価します。 最初の振動デバイスは約 34 Hz の周波数で振動を生成し、第 2 のデバイスは約 300 Hz で振動を生成します。 イオンを観察する sCMOS カメラは、固定フレーム内の浮遊光学テーブルに取り付けられています。 真空チャンバーは同じ光学テーブル上にありますが、機械的に隔離された状態を保つためにベンチに緩く固定されています。 その結果、真空チャンバーとその内容物は振動するが、カメラは振動しないシステムが誕生しました。

イオントラップの動きが正弦波であると仮定して、カメラ画像 (図 7 を参照) から、各振動デバイスの見かけのピーク加速度を計算できます。 sCMOS カメラはイオンの動きを 2 次元平面上でしか捉えることができないため、これらはトラップによって感じられる実際のピーク加速度の下限を表します。 最初のデバイスを 34 Hz で使用する場合、見かけのピーク加速度は 0.047(5) g です。 300 Hz で動作する 2 番目のデバイスの場合、見かけのピーク加速度は 1.09(18) g です。 いずれの場合も、イオンの蛍光速度、微動補償電圧、冷却遷移分光プロファイル、蛍光減衰定数 \(\tau _\Omega\) のいずれにも有意な差は観察されません。

振動に対する変位の感度を決定するために、原子イオンの蛍光を使用します。 振動の有無による蛍光レベルの変化は検出できないため、振動による蛍光の変化は、レーザー出力の変動により観察される変化の10%未満であると仮定します。 レーザービームに対するイオンの位置の正弦波振動がイオンの平均蛍光レベルにどのような影響を与えるかを分析することで、位置ずれの振幅の上限である 3.5 \(\upmu \hbox {m}\) を導き出すことができます。 ただし、実際の振幅はかなり小さいと予想されます。

(a) 静止状態、(b) 見かけのピーク加速度 0.047(5) g で 34 Hz で振動している真空チャンバー、および (c) 見かけのピーク加速度 1.09(18) で 300 Hz で振動している真空チャンバーのカメラ画像の比較。 g.

結論として、我々は、真空チャンバー内の光ファイバーがビームの送達とイオン蛍光の収集に使用される、コンパクトで完全にファイバーが統合されたシングルイオントラップを提示しました。 送達ビームは、トラップ本体にモノリシックに取り付けられた GRIN レンズを使用して組み立て中にイオンの予想される位置に集束されます。 これにより、システムは機械的振動や熱変動に対して堅牢になり、時間の経過とともにビームを再調整する必要が完全になくなります。 マルチモード集光ファイバーはトラップ電極の内側に直接収容されており、イオンの近くに配置できるため、良好な立体角捕捉が可能になり、高い信号対バックグラウンド比でイオンの蛍光を測定できるようになります。 我々は、状態検出忠実度測定を含むイオントラップの基本的な特性評価を実行し、システムをさまざまな温度および機械的振動条件にさらしましたが、その性能の劣化は見られませんでした。

これは、研究室外でのアプリケーション向けのコンパクトで堅牢な統合システム、特にポータブル光原子時計での使用に向けたイオントラップの小型化に向けた前進であると考えています。 最後に、私たちは選択したイオンとして 40Ca+ を使用していますが、ここで示した設計原則は、必要なレーザー波長に適したファイバーとレンズを選択することで他の種にも拡張できます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、EURAMET (EMPR SIB04-REG4) および工学物理科学研究評議会のセンサーおよび計測のための量子技術ハブ (EP/M013294/1) から資金提供を受けています。

サセックス大学物理天文学部、ブライトン、BN1 9QH、英国

ザビエル・フェルナンデス・ゴンサルボ & マティアス・ケラー

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XFG と MK が実験を発案し、XFG が実験を実施して結果を分析しました。 著者全員が原稿をレビューしました。

ザビエル・フェルナンデス＝ゴンサルボへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Fernandez-Gonzalvo, X.、Keller, M. ポータブル量子技術用の完全にファイバー統合されたイオン トラップ。 Sci Rep 13、523 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-27193-9

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受信日: 2022 年 3 月 15 日

受理日: 2022 年 12 月 28 日

公開日: 2023 年 1 月 10 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27193-9

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