Name: experimental methods for trapping ions using microfabricated surface ion traps
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00
Duration: 11 min 45 s
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Cette recherche a été partiellement financée par le ministère de la Science, TIC, et de planification de l’avenir (MSIP), Corée, sous le centre de recherche technologique (ITRC) Information support programme (IITP-2017-2015-0-00385) et l’ICT R &#38; programme D (10043464, développement de répéteur technologie quantique pour l’application aux systèmes de communication), supervisé par l’Institute for Information &#38; Promotion de la technologie de Communications (IITP).

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Cet article présente une méthode pour les ions de piégeage à l’aide de pièges à ions surface microfabriques. La construction d’un système de piégeage ionique requiert des expériences dans divers domaines de recherche, mais n’a pas déjà été décrits en détail. Ce document offre des procédures détaillées pour microfabricating une puce piège aussi bien en ce qui concerne la construction d’un montage expérimental pour piéger les ions pour la première fois. Cet article a également fourni des procédures détaillées pour piéger les ions Yb+ 174et d’expérimenter avec les ions piégées.
Un obstacle de face dans les procédures de microfabrication est le dépôt de la couche diélectrique, d’une épaisseur de plus de 10 µm. Au cours du processus de dépôt de la couche diélectrique épaisse, contraintes résiduelles peuvent s’accumuler, qui peut endommager le film diélectrique ou même casser la plaquette. Afin de réduire les contraintes résiduelles, qui est généralement de compression, un rythme lent dépôt devrait être utilisé40. Dans notre cas, un effort de compression de 110,4 MPa a été mesurée dans les conditions de dépôt de 540 sccm de SiH4 débit de gaz et de 140 W de RF puissance, 1,9 Torr de pression à l’épaisseur de film de 5 µm. Cependant, ces conditions de traitement fournissent uniquement une référence approximative, étant donné que ces conditions peuvent varier considérablement pour différents équipements. Afin de réduire les effets du stress accumulé, 3,5 µm d’épaisseur SiO2 films ont été déposés à l’alternance des deux côtés de la plaquette dans la méthode présentée. L’épaisseur requise de la couche diélectrique peut être réduit si une amplitude de tension RF plus petite et donc une profondeur piège est choisie. Toutefois, une profondeur piège conduit facilement à la fuite des ions piégées, ainsi la fabrication de couches diélectriques plus épaisses, qui peut résister à des tensions plus élevées de RF, est plus souhaitable.
Il existe certaines limitations à la méthode de fabrication présenté dans cet article. Les longueurs des surplombs ne suffisent pas à masquer complètement les flancs diélectriques des ions piégées, comme illustré à la Figure 7f. En outre, les parois latérales des piliers d’oxyde sont déchiquetés, augmentant la surface exposée des flancs diélectriques par rapport au pilier vertical d’oxyde. Par exemple, dans le cas de la paroi latérale du rail intérieur DC près de la fente de chargement avec un faux uniforme de 5 µm, il est calculé que 33 % de la surface du diélectrique est exposé à la position de l’ion piégé de la paroi verticale. Dans le cas de jagged edge, plus de 70 % de la superficie de la paroi latérale est exposée. Ces résultats de fabrication non idéales peuvent induire des champs supplémentaires des diélectriques exposées, mais les effets n’ont pas été mesurés quantitativement. Néanmoins, la puce fabriquée comme il est indiqué ci-dessus a été utilisée avec succès en piégeage ionique et des expériences de manipulation des qubits. En outre, la puce de piège présentée dans cet article a exposé des flancs de silicium près de la fente d’insertion. Oxyde natif peut pousser sur des surfaces de silicium et peut entraîner des champs supplémentaires. Par conséquent, il est recommandé de protéger le substrat de silicium avec une couche de métal supplémentaire, comme dans33.
Pour piéger les ions Yb+ 174, les fréquences des lasers faut stabiliser quelques dizaines de MHz, et quelques méthodes différentes sont discutées dans des configurations avancées38,41. Toutefois, pour la configuration simple décrit dans ce livre, piégeage initiale est possible seulement avec la stabilisation à l’aide d’un mètre de longueur d’onde.
Cette note présente un protocole pour piéger les ions de 174Yb+ à l’aide d’une puce de surface-piège à ions microfabriques. Bien que le protocole pour le piégeage d’ions de 171Yb+ n’est pas spécifiquement discuté, le dispositif expérimental décrit dans cet article peut être aussi utilisé pour piéger les ions Yb+ 171et manipuler l’état du qubit de la 171 Ions de Yb+ pour obtenir Rabi oscillation résultats (indiqué dans la Figure 10). Cela peut être fait en ajoutant plusieurs modulateurs optiques à la sortie des lasers et en utilisant une configuration de micro-ondes, comme décrit dans le Document complémentaire.
En conclusion, les méthodes expérimentales et les résultats présentés dans cet article permet de développer diverses applications d’information quantique à l’aide de pièges à ions surfaces.

Un piège de Paul peut confiner les particules chargées, y compris des ions dans un espace vide, en utilisant une combinaison d’un champ électrique statique et un champ électrique variable oscillant à radio fréquence (RF), et les États quantiques des ions confinées dans le piège peut être mesurées et commandé1,2,3. Ces pièges à ions ont été développées pour des applications de mesure précise, y compris les horloges optiques et spectroscopie de masse4,5,6. Ces dernières années, ces pièges à ions ont également étudiés de façon comme une plate-forme physique à mettre en œuvre le traitement de l’information quantique attribuée aux caractéristiques souhaitables d’ions piégées, tels que les longs temps de cohérence, isolement idéal dans une ultra-haute environnement de vide (UHV) et la faisabilité de chaque qubit manipulation7,8,9,10. Depuis Kielpinski et al. 11 a proposé une architecture évolutive-piège à ions qui peut être utilisée pour développer des ordinateurs quantiques, différents types de pièges de surface, y compris sortie pièges12,13, Multizones piège jetons14et tableau 2D pièges à15,16,17, ont été développés à l’aide de semiconducteurs dérivés de processus microfabrication méthodes18,19,20,21 . Quantique à grande échelle systèmes informatiques basés sur l’aire de pièges ont également été discutés22,23,24.
Cet article présente des méthodes expérimentales pour les ions de piégeage à l’aide de pièges à ions surface microfabriques. Plus précisément, une procédure de fabrication de pièges à ions surfaces et une procédure détaillée pour les ions de piégeage à l’aide des pièges fabriquées sont décrites. En outre, des descriptions détaillées de diverses techniques pratiques pour la mise en place le système expérimental et piéger les ions sont fournies dans le Document complémentaire.
La méthodologie pour microfabricating un piège à ions surface est donné à l’étape 1. La figure 1 montre un schéma simplifié d’un piège à ions surface. Les champs électriques générés par la tension appliquée aux électrodes dans le plan transversal figurent également le25. Une tension RF est appliquée à la paire d’électrodes de RF, tandis que toutes les autres électrodes restent au sol RF ; le potentiel de pondéromotrice26 , générée par la tension RF confine les ions à la direction radiale. La tension de courant continu (DC) appliquée aux électrodes multiples DC dehors les électrodes RF confiner les ions à la direction longitudinale. Les rails intérieurs entre les électrodes de RF sont conçus pour aider les principaux axes du potentiel total dans le plan transversal d’inclinaison. La méthodologie pour la conception d’un ensemble de tension DC est incluse dans le Document complémentaire. En outre, plus de détails pour la conception les paramètres géométriques essentielles de surface-piège à ions puces se trouvent dans27,28,29,30,31.
La méthode de fabrication présentée à l’étape 1 a été conçue en prenant en compte les aspects suivants. Tout d’abord, la couche diélectrique entre la couche de l’électrode et la couche de sol doit être suffisamment épaisse pour éviter le claquage électrique entre les couches. Généralement, l’épaisseur doit être plus de 10 µm. Au cours de la déposition de l’épaisse couche diélectrique, la contrainte résiduelle des films déposés peut causer s’inclinant du substrat ou dommages aux films déposés. Ainsi, contrôler la contrainte résiduelle est une des techniques clés dans la fabrication des pièges à ions surfaces. Deuxièmement, l’exposition des surfaces diélectriques à la position de l’ion devrait être minimisée car frais errants peuvent être induites sur le matériau diélectrique par lasers éparpillés aux ultraviolets (UV), qui, tour donne un déplacement aléatoire d’ion, position. La surface exposée peut être réduite grâce à la conception de structures d’électrode de surplomb. Il a été signalé que de surface pièges à ions avec électrode surplombs résistent à la charge en vertu des conditions expérimentales typique32. Troisièmement, tous les matériaux, y compris divers films déposés, doivent être capables de résister à 200 ° C, cuisson au four pendant environ 2 semaines, et le montant de dégazage de tous les matériaux doit être compatible avec les environnements UHV. La conception de la trappe d’ions surface puces microfabriques dans le présent document est basée sur la conception du piège de33, qui a été utilisé avec succès dans diverses expériences32,33,34, 35. Notez que cette conception inclut une fente au milieu de la puce pour chargement des atomes neutres, qui sont ensuites ionisés photo de piégeage.
Après la fabrication de la puce de trappe d’ions, la puce est montée et raccordée électriquement au transporteur de la puce à l’aide de fils de liaison or. Le transporteur de la puce est alors installé dans une chambre d’UHV. Une procédure détaillée pour la préparation d’un paquet de chip de piège et la conception de la chambre d’UHV figurent dans le Document complémentaire.
Préparation de l’équipement optique et électrique, ainsi que les procédures expérimentales pour les ions de piégeage, sont expliqués en détail à l’étape 2. Les ions piégées par le pondéromotrice potentiel sont généralement assujettis à la fluctuation du champ électrique environnante, qui augmente en permanence l’énergie cinétique moyenne des ions. Laser de refroidissement basé sur l’effet Doppler peut être utilisé pour enlever l’excès d’énergie depuis le mouvement des ions. La figure 2 montre les schémas énergétiques-niveau simplifiés d’un ion de Yb+ 174et un atome de Yb neutre 174. Refroidissement Doppler des ions Yb+ 174nécessite un laser 369,5 nm et un laser à 935-nm, tandis que photo-ionisation des atomes de Yb neutre 174exige un laser 399 nm. Étapes, 2.2 et 2.3 décrivent une méthode efficace pour aligner ces lasers à la puce de surface trappe d’ions et une procédure pour trouver les bonnes conditions de photoionisation. Une fois les composants optiques et électriques sont prêts, piégeage des ions est relativement simple. La séquence expérimentale pour les ions de piégeage est présentée à l’étape 2.4.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1425">
	<tbody>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">photoresist used for 2-&#956;m spin coating</td>
			<td style="width:123px;">AZ Materials</td>
			<td style="width:381px;">AZ7220</td>
			<td style="width:629px;">Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">photoresist used for 6-&#956;m spin coating</td>
			<td>AZ Materials</td>
			<td>AZ4620</td>
			<td>Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ceramic chip carrier</td>
			<td>NTK</td>
			<td>IPKX0F1-8180BA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">epoxy compound</td>
			<td>Epotek</td>
			<td>353ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="45">
			<td height="45" style="height:45px;width:293px;">Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system</td>
			<td style="width:123px;">Oxford Instruments</td>
			<td style="width:381px;">PlasmaPro System100</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="56">
			<td height="56" style="height:56px;width:293px;">Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) system</td>
			<td style="width:123px;">Centrotherm</td>
			<td style="width:381px;">E-1200</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Furnace</td>
			<td style="width:123px;">Seltron</td>
			<td style="width:381px;">SHF-150</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Sputter</td>
			<td style="width:123px;">Muhan Vacuum</td>
			<td style="width:381px;">MHS-1500</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Manual aligner</td>
			<td style="width:123px;">Karl-Suss</td>
			<td style="width:381px;">MA-6</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Deep Si etcher</td>
			<td style="width:123px;">Plasma-Therm</td>
			<td style="width:381px;">SLR-770-10R-B</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="53">
			<td height="53" style="height:53px;width:293px;">Inductive coupled plasma (ICP) etcher</td>
			<td style="width:123px;">Oxford Instruments</td>
			<td style="width:381px;">PlasmaPro System100 Cobra</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Reactive ion etching (RIE) etcher</td>
			<td style="width:123px;">Applied Materials</td>
			<td style="width:381px;">P-5000</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Boundary element method (BEM) software</td>
			<td style="width:123px;">CPO Ltd.</td>
			<td style="width:381px;">Charged Particle Optics</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Single crystaline (100) silicon wafer</td>
			<td style="width:123px;">STC</td>
			<td style="width:381px;">4SWP02</td>
			<td style="width:629px;">100 mm / (100) / P-type / SSP / 525&#177;25 &#956;m</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">metal tubes</td>
			<td>Mcmaster-carr</td>
			<td>89935K69</td>
			<td>316 Stainless Steel Tubing, 0.042&#34; OD, 0.004&#34; Wall Thickness</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Yb piece</td>
			<td>Goodfellow</td>
			<td style="width:381px;">YB005110</td>
			<td>Ytterbium wire, purity 99.9%</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">enriched 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 height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">tantalum foil</td>
			<td>The Nilaco Corporation</td>
			<td>TI-453401</td>
			<td>0.25x130x100mm 99.5%</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Kapton-insulated copper wire</td>
			<td>Accu-glass</td>
			<td>18AWG (silver plated copper wire kapton insulted)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">residual gas analyzer (RGA)</td>
			<td>SRS</td>
			<td>RGA200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">turbo pump</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>Twistorr84 FS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">all-metal valve</td>
			<td>KJL</td>
			<td>manual SS All-Metal Angle Valves (CF flanged)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Leak detector (used as a rough pump)</td>
			<td>Varian</td>
			<td>PD03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ion gauges</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>UHV-24p</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ion pump</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>VacIon Plus 20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">NEG pump</td>
			<td>SAES Getters</td>
			<td>CapaciTorr D400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">spherical octagon</td>
			<td>Kimball Physics</td>
			<td>MCF600-SphOct-F2C8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ZIF socket</td>
			<td>Tactic Electronics</td>
			<td>P/N 100-4680-002A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">multi-pin feedthroughs</td>
			<td>Accu-Glass</td>
			<td>6-100531</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">25 D-sub gender adapters</td>
			<td>Accu-Glass</td>
			<td>104101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Recessed viewport</td>
			<td>Culham Centre for Fusion Energy</td>
			<td style="width:381px;">100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Custom order)</td>
			<td style="width:629px;">Disc material: 60cv Fused Silica 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Recessed viewport AR coating</td>
			<td style="width:123px;">LaserOptik</td>
			<td style="width:381px;">AR355nm/0-6&#176; HT370-650nm/0-36&#176; on UHV (Custom order)</td>
			<td style="width:629px;">AR coating was performed in the middle of the fabrication of the recessed viewport</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Digital-analog converter</td>
			<td style="width:123px;">AdLink</td>
			<td style="width:381px;">PCIe-6216V-GL</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">369.5nm laser</td>
			<td style="width:123px;">Toptica</td>
			<td style="width:381px;">TA-SHG Pro</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">369.5nm laser</td>
			<td style="width:123px;">Moglabs</td>
			<td style="width:381px;">ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">399nm laser</td>
			<td style="width:123px;">Toptica</td>
			<td style="width:381px;">DL 100</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">935nm laser</td>
			<td style="width:123px;">Toptica</td>
			<td style="width:381px;">DL 100</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">369.5nm &#38; 399nm optical fiber</td>
			<td style="width:123px;">Coherent</td>
			<td style="width:381px;">NUV-320-K1</td>
			<td style="width:629px;">Patch cables are connectorized by Costal Connections.</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">935nm optical fiber</td>
			<td style="width:123px;">GouldFiber Optics</td>
			<td style="width:381px;">PSK-000626</td>
			<td style="width:629px;">50/50 fiber beam splitter made of Corning HI-780 single mode fiber to combine 935nm and 638nm together.</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Wavelength meter</td>
			<td>High Finesse</td>
			<td>WSU-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">temporary mirror</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-P01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Dichroic mirror</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF647-SDi01-25x36</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">369.5nm &#38; 399nm collimator</td>
			<td>Micro Laser Systems</td>
			<td>FC5-UV-T/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">935nm collimator</td>
			<td>Sch&#228;fter + Kirchhoff</td>
			<td>60FC-0-M8-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">369.5nm focusing lens</td>
			<td style="width:123px;">CVI</td>
			<td style="width:381px;">PLCX-25.4-77.3-UV-355-399</td>
			<td>Focal length: ~163mm @ 369.5nm</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">399nm &#38; 935nm focusing lens</td>
			<td style="width:123px;">CVI</td>
			<td style="width:381px;">PLCX-25.4-64.4-UV-355-399</td>
			<td style="width:629px;">Focal length: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">imaging lens</td>
			<td>Photon Gear</td>
			<td>P/N 15470</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">369.5nm bandpass filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-370/6-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">399nm bandpass filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-395/11-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">IR filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-650/SP-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">EMCCD camera</td>
			<td>Andor Technology</td>
			<td>DU-897U-CS0-EXF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">PMT</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>H10682-210</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental methods for trapping ions using microfabricated surface ion traps

Ions piégées dans un quadripôle piège de Paul ont été considéré comme l’un des candidats physiques solides pour mettre en œuvre le traitement quantique de l’information. Cela est dû à leur temps de cohérence long et leur capacité à manipuler et à détecter des bits quantiques individuels (qubits). Ces dernières années, pièges à ions surface microfabriques ont reçu plus d’attention pour les plates-formes qubit intégrée à grande échelle. Cet article présente une méthodologie de microfabrication pour pièges à ions à l’aide de la technologie des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), y compris la méthode de fabrication pour un 14 µm d’épaisseur couche diélectrique et métal surplombent structures au sommet de la couche diélectrique. En outre, une procédure expérimentale pour le piégeage d’ions l’ytterbium (Yb) d’isotope 174 (174Yb+) à l’aide de 369,5 nm, 399 nm, et les lasers à diode 935 nm est décrite. Ces méthodologies et procédures impliquent plusieurs disciplines scientifiques et techniques, et nous présentons tout d’abord les procédures expérimentales. Les méthodes présentées dans cet article peuvent être facilement étendus pour le piégeage d’ions Yb d’isotope 171 (171Yb+) et à la manipulation des qubits.

La figure 7 illustre les micrographies balayage (SEM) de la puce fabriquée trappe d’ions. Les électrodes RF, intérieure DC électrodes, électrodes de DC externes et fente d’insertion ont été fabriqués avec succès. Le profil de la paroi latérale du pilier diélectrique est devenu en escalier parce que l’oxyde PECVD a été déposé en plusieurs étapes. Les nombreuses étapes de dépôts ont été utilisés pour minimiser les effets des contraintes résiduelles de films d’oxyde épaisse. Ceci est décrit plus loin dans la Discussion.

La figure 8 montre l’image EMCCD des cinq 174Yb+ ions piégés à l’aide de la puce de trappe d’ions microfabriques. Les ions piégées peuvent durer pendant plus de 24 h avec Doppler continu de refroidissement. Le nombre d’ions piégés est réglable entre 1 et 20 en changeant le jeu de tension DC appliqué. Ce dispositif expérimental est très fiable et robuste et est actuellement en opération depuis 50 mois.
La figure 9 illustre la navette des ions piégées dans la direction axiale. La position d’ion dans la Figure 9 b est décalée de celle, dans la Figure 9 a , par le biais de l’ajustement de la position du minimum possible DC en changeant les tensions continues.
La figure 10 montre les résultats préliminaires de Rabi oscillation expérimente un ion de Yb+ 171. Pour obtenir les résultats, les configurations supplémentaires décrites dans le Document complémentaire ont été utilisées. Les résultats ont été inclus pour montrer une application potentielle de l’installation expérimentale a expliqué dans cet article.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Figure 1 : schématique du piège à ions surface. (a) le rouge points représentent les ions piégées. Les électrodes bruns et jaunes indiquent les électrodes RF et DC, respectivement. Les flèches grises indiquent la direction du champ électrique au cours de la phase positive de la tension RF. Notez que le schéma n’est pas dessiné à l’échelle. (b) la verticale dimensions de la structure de l’électrode. (c), le latéral dimensions de la structure de l’électrode. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Figure 2 : Les schémas simplifiés-niveau d’énergie d’un ion de Yb+ 174et un atome de Yb neutre 174. (un) lorsque 369,5 un nm laser est désaccordé du côté rouge (basse fréquence) de la résonance, une transition cyclisme entre 2P1/2 et 2S1/2 réduit l’énergie cinétique de l’ion en raison de l’effet Doppler effet. Occasionnellement, un rapport d’embranchement petit mais fini rend la désintégration de l’électron de 2P1/2 à 2D3/2, et un laser à 935-nm est nécessaire pour retourner l’électron vers la transition cyclisme principale. L’électron peut également se désintégrer en un état de7/2 2F une fois par heure, en moyenne et un laser à 638 nm il pompe de l’état de 2F7/2 , mais ce n’est pas nécessaire pour un système simple38. Les valeurs de la notation ket représentent les projections de l’angulaire total J le long de l' axe de quantification mJ. (b) d’ioniser les atomes neutres évaporés du four, un processus d’absorption biphotonique a été utilisé39. Un laser nm 399 excité un électron à l’état1 1P, et le photon de 369,5 nm pour le refroidissement Doppler avait plus d’énergie que nécessaire d’enlever l’électron excité de l’ion. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Figure 3 : flux de processus de Fabrication d’un piège à ions surface. (un) thermique oxydation à cultiver un 5 000 Å d’épaisseur SiO2 couche et LPCVD d’une couche de4 3N Si 2 000 Å d’épaisseur. (b) les dépôts et ICP eau-forte d’une couche de Al pulvérisés 1,5 µm d’épaisseur. (c) le dépôt d’une 14 µm d’épaisseur SiO2 couche sur les deux côtés de la plaquette à l’aide de procédés PECVD. (d) structuration de la 14 µm d’épaisseur SiO2 couche déposée sur la face avant de la plaquette en utilisant un procédé RIE (e) du dépôt de structuration du calque2 SiO µm d’épaisseur 14 à l’arrière de la plaquette en utilisant un procédé RIE. (f), à la déposition d’un 1,5 µm épaisseur plaqué Al et une 1 µm d’épaisseur PECVD SiO2 couche. processus de structuration de la couche de Al 1,5 µm d’épaisseur à l’aide d’une procédure d’ICP et la 1 µm d’épaisseur SiO2 couche en utilisant un RIE (g). (h) modélisation de la couche de2 SiO µm d’épaisseur 14 déposés à l’avant de la plaquette en utilisant un procédé RIE. (i) les processus de structuration de la 5 000 Å d’épaisseur SiO2 couche et les 2 000 Å d’épaisseur Si3N4 couche à l’aide d’un RIE. (j), DRIE du substrat silicium 450 µm à l’arrière de la plaquette. (k) wet-gravure de la SiO2 couche sur les électrodes de Al et les flancs des piliers diélectriques. (l) la pénétration du substrat silicium de l’avant grâce à un processus DRIE. Notez que les schémas ne sont pas dessinés à l’échelle. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Figure 4 : un exemple de la tension, la valeur utilisée pour piéger les ions. Les tensions appliquées aux rails intérieurs peuvent compenser pour le champ électrique asymétrique dans le sens horizontal pour incliner les axes principaux du potentiel total dans le plan transversal. La fréquence de piège axial générée par l’ensemble de la tension a été 550 kHz. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
Ether.within-page = « 1 » &gt;<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Figure 5 : schéma de la configuration optique. Trois lasers à diode sont alignés pour chevaucher à la position de piégeage. La fenêtre encastrée de la chambre d’UHV permet à la lentille d’imagerie à placer aussi près que possible de la puce de surface. Un flip-miroir placé entre l’objectif d’imagerie et le EMCCD permet la surveillance sélective de la fluorescence d’ions à l’aide d’un tube de photon multiplié (PMT) ou une EMCCD. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Figure 6 : Images de la configuration optique construite. (un) A bobine est enroulée autour de la fenêtre avant de la chambre pour générer un champ magnétique qui peut briser les niveaux d’énergie dégénérés des ions de l’ytterbium. (b) la configuration optique pour la direction le 399 nm et 935 poutres nm. Les lignes rouges et vertes indiquent le trajet optique de la 935 399 nm lasers et nm respectivement. (c), la configuration de l’image système, y compris le flip-mirror, l’objectif d’imagerie, le EMCCD et le PMT. Le chemin d’accès de la fluorescence émise par les ions piégées peut être déterminée par le flip-mirror. Les flèches vertes et blanches indiquent le chemin de la fluorescence lorsque surveillés par le EMCCD et le PMT, respectivement. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Figure 7 : résultats de la Fabrication du piège à ions surface. (a) vue d’ensemble de l’agencement de la puce. (b) une vue agrandie de la disposition de la puce, qui montre plusieurs électrodes DC externes. (c) une vue agrandie de la disposition de la puce, qui montre la fente d’insertion. (d) une transversale sur la région de piégeage avant de pénétrer dans la fente d’insertion. (e) une transversale sur la région de piégeage après avoir pénétré la fente d’insertion. (f) A amplifié la vue en coupe de la borne de l’oxyde. Les piliers de l’oxyde ont déchiquetés des murs, et les longueurs de l’avant-toit ne suffisent pas, qui est attribuée au taux etch non uniforme de la SiO2 aux interfaces entre les couches de2 de SiO de µm d’épaisseur 3,5 déposés séparément. vue de dessus (g), un d’un pad de fil-liaison d’une électrode de DC. (h), une vue en coupe d’un via. Profils inclinés des piliers oxyde permettent pour le raccordement de l’électrode de la DC et la couche de sol au cours de la déposition de la couche de Al sur le flanc du pilier d’azote au lieu de remplissage la via les trous avec un procédé de galvanoplastie. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Figure 8 : image EMCCD An d’ions de Yb+ 174cinq pris au piège sur la puce de trappe d’ions microfabriques. L’image de la structure d’électrode de surface piège était pris séparément, et les images de l’ion piégée et des électrodes ont été combinés pour plus de clarté. La légende de l’intensité s’applique uniquement aux pixels dans la boîte. La flèche épaisse montre le chemin du faisceau du laser 369,5 nm et les fines flèches représentent les composants x et z de l’impulsion du photon. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Figure 9 : ajustement du potentiel axial des ions piégés dans une chaîne linéaire à. (un) sept ions au centre du piège. (b) les ions ont fait la navette des dizaines de micromètres. (c) la chaîne ion coincée dans le sens axial. Ce chiffre est optimisé sous forme de film, qui est téléchargé séparément. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Figure 10 : Résultats expérimentaux d’oscillations Rabi entre le | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> et | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> États. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> est défini comme le 2S1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> état de l’ion de Yb+ 171, et | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> est défini comme le 2S1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> État. L’oscillation de Rabi est induite par un four à micro-ondes 12,6428 GHz. Sphères de Bloch au-dessus de l’intrigue montrent les États quantiques correspondants à des moments différents. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
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Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Cet article présente une méthodologie de microfabrication pour surfaces pièges à ions, mais aussi une procédure expérimentale détaillée pour les ions de l’ytterbium piégeage dans un environnement à température ambiante.

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