Name: experimental methods for trapping ions using microfabricated surface ion traps
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps at JoVE.com

Diese Forschung wurde durch das Ministerium für Wissenschaft, IKT, teilweise unterstützt und Zukunft planen (MSIP), Korea, unter Information Technology Research Center (ITRC) Unterstützung Programm (IITP-2017-2015-0-00385) und ICT R &#38; D-Programm (10043464, Entwicklung von Quanten-Repeater-Technologie für die Anwendung auf Kommunikationssysteme), betreut vom Institut für Informationen &#38; Communications Technology Promotion (IITP).

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieser Vortrag ist einer Methode für die Fallenjagd Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen. Der Bau eines Ion-Trapping-Systems erfordert Erfahrungen in verschiedenen Forschungsbereichen aber zuvor nicht im Detail beschrieben. Dieses Papier detaillierte Verfahren vorgesehenen Microfabricating eine Falle-Chip sowie für Bau Versuchsaufbaus zu Ionen zum ersten Mal zu fangen. Dieses Papier hat auch detaillierte Verfahren zur Überfüllung 174Yb+ Ionen und experimentieren mit Gefangenen Ionen.
Ein erhebliches Hindernis konfrontiert in den Microfabrication Verfahren ist die Ablagerung von der dielektrischen Schicht mit einer Dicke von mehr als 10 µm. Während der Abscheidung der dicken dielektrische Schicht kann Eigenspannungen aufzubauen, das beschädigen der dielektrischen Film oder "kantig" den Wafer. Um die Restspannung zu verringern, die in der Regel Druckfestigkeit ist, sollte eine langsame Abscheidungsrate verwendeten40sein. In unserem Fall wurde eine Druckspannung von 110,4 MPa mit der Abscheidungsbedingungen von 540 Sccm SiH-4 -Gas-Durchfluss, 140 W RF Power und 1,9 Torr Druck bei 5 µm Schichtdicke gemessen. Diese Bedingungen stellen jedoch nur eine grobe Referenz, da diese Bedingungen für verschiedene Geräte erheblich variieren können. Um die Auswirkungen der angesammelten Stress zu reduzieren, wurden 3,5 µm dicken SiO2 Filme abwechselnd auf beiden Seiten des Wafers in die vorgestellte Methode hinterlegt. Die gewünschte Dicke der dielektrischen Schicht reduziert werden, wenn eine kleinere Amplitude der RF-Spannung und damit eine flachere Falle Tiefe gewählt. Flachere Falle Tiefe führt jedoch leicht zu die Flucht der Gefangenen Ionen, so ist die Herstellung von dickeren Dielektrische Schichten, die höhere RF Spannungen standhalten, wünschenswerter.
Es gibt einige Einschränkungen, die Herstellungsverfahren, die in diesem Dokument vorgestellt. Die Längen der die Überhänge sind nicht ausreichend, die dielektrische Seitenwände aus den Gefangenen Ionen vollständig auszublenden, wie in Abbildung 7fgezeigt. Darüber hinaus sind die Seitenwände der Oxid Säulen gezackt, Erhöhung der exponierten Bereich der dielektrischen Seitenwände im Vergleich zu der vertikalen Oxid-Säule. Beispielsweise wird bei der Seitenwand der inneren DC Schiene in der Nähe der Ladeschlitz mit einem einheitlichen Überhang von 5 µm berechnet, dass 33 % der dielektrischen Fläche die eingeschlossene Ion Position der vertikalen Seitenwand ausgesetzt ist. Im Fall von jagged Edge ist mehr als 70 % des Gebiets Seitenwand ausgesetzt. Diese nicht-ideale Herstellung Ergebnisse zusätzliche Streufelder von exponierten Dielektrika induzieren können, aber die Effekte nicht quantitativ gemessen. Dennoch hat der gefertigte Chip wie berichtet im Ion-Trapping und Qubit Manipulation Experimente erfolgreich eingesetzt. Darüber hinaus hat die Falle Chip präsentiert in diesem Papier Silizium Seitenwände in der Nähe der Ladeschlitz ausgesetzt. Native Oxid kann auf die Silizium-Oberflächen und kann dazu führen, dass zusätzliche Streufelder. Daher empfiehlt es sich, die Silizium-Substrat mit einer zusätzlichen metallischen Schicht, wie in33zu schützen.
Um 174Yb+ Ionen zu fangen, die Frequenzen der Laser innerhalb von ein paar Dutzend MHz stabilisiert werden sollte, und ein paar verschiedene Methoden werden in den erweiterten Einstellungen38,41diskutiert. Ist jedoch für die einfache Einrichtung diskutiert in diesem Papier, erste Trapping möglich nur mit einer Stabilisierung mit einer Wellenlänge Meter.
Dieses Papier zur Verfügung gestellt ein Protokoll um 174Yb+ -Ionen mit einer Microfabricated Oberfläche Ionenfallen-Chip zu fangen. Obwohl das Protokoll für das Einfangen von 171Yb+ Ionen nicht konkret diskutiert, die in diesem Dokument beschriebenen Versuchsaufbau auch 171Yb+ Ionen zu fangen und den Qubit-Zustand der 171 manipulieren einsetzbar Yb+ -Ionen zu Rabi Oszillation Ergebnissen (siehe Abbildung 10). Dies kann durch das Hinzufügen von mehreren optischen Modulatoren für die Ausgabe der Laser und mithilfe von eine Mikrowelle-Setup wie in Zusatzdokumentbeschrieben erfolgen.
Zusammenfassend können der experimentellen Methoden und Ergebnisse, die in diesem Papier verwendet werden, verschiedene Quanten Informationsanwendungen mit Oberfläche Ionenfallen zu entwickeln.

Eine Paulfalle kann geladene Teilchen, Ionen in einem leeren Raum, mit einer Kombination aus einem statischen elektrischen Feld und eine unterschiedliche elektrische Feld oszillierend auf Radiofrequenz (RF), einschließlich beschränken und die Quantenzustände der Ionen in der Falle beschränkt kann gemessen werden und 1,2,3gesteuert. Solchen Ionenfallen wurden ursprünglich für präzise Messung Anwendungen, einschließlich optischen Uhren und Massenspektroskopie4,5,6entwickelt. In den letzten Jahren haben diese Ionenfallen auch aktiv erforscht wie eine physische Plattform zur Umsetzung der Quanteninformationsverarbeitung die wünschenswerten Eigenschaften der Gefangenen Ionen, wie z. B. lange Kohärenz, ideale Isolation in einer extrem hohen zugeschrieben Vakuum (UHV) Umwelt und die Machbarkeit von einzelnen Qubit Manipulation7,8,9,10. Seit Kielpinski Et Al. 11 vorgeschlagen eine skalierbare Ionenfallen-Architektur, die verwendet werden kann, Quantencomputer, verschiedene Arten von Oberflächen fallen, einschließlich Kreuzung fallen12,13, Mehrzonen-Falle Chips14und 2-d Array zu entwickeln fallen15,16,17, entstanden mit Halbleiter Prozess abgeleitet Microfabrication Methoden18,19,20,21 . Groß angelegte Quantum informationsverarbeitender Systeme basierend auf der Oberfläche, fallen auch gewesen diskutiert22,23,24.
Dieser Beitrag stellt experimentelle Methoden für Überfüllung Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen. Genauer gesagt, ein Verfahren zur Herstellung von Oberflächen Ionenfallen und ein detailliertes Verfahren für Trapping-Ionen mit den vorgefertigten fallen werden beschrieben. Darüber hinaus sind detaillierte Beschreibungen der verschiedenen praktische Techniken zur Einrichtung des experimentellen Systems und einfangen von Ionen in das Zusatzdokumentzur Verfügung gestellt.
Die Methodik für die Microfabricating erhält eine Oberfläche Ionenfallen in Schritt 1. Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Oberfläche Ionenfalle. Die elektrischen Felder durch die Spannung an den Elektroden in der Querebene erzeugt werden auch25angezeigt. Eine HF-Spannung wird auf das Paar von RF Elektroden angewendet, während alle anderen Elektroden RF Boden gehalten werden; die ponderomotorische potenziellen26 durch die HF-Spannung erzeugt beschränkt sich die Ionen in radialer Richtung. Der Gleichstrom (DC) Spannung an die mehrere DC-Elektroden außerhalb der RF-Elektroden beschränken die Ionen in Längsrichtung. Die inneren Schienen zwischen den RF-Elektroden sollen dazu beitragen, die Hauptachsen des Gesamtpotenzials in der Querebene zu kippen. Die Methodik für die Gestaltung einer DC-Spannung-Reihe gehört das Zusatzdokument. Darüber hinaus finden Sie weitere Details zu entwerfen die wesentlichen geometrischen Parameter der Oberfläche Ionenfallen-Chips in27,28,29,30,31.
Das Herstellungsverfahren, die in Schritt 1 eingeführt wurde entwickelt, unter Berücksichtigung der folgenden Aspekte. Erstens sollte die dielektrische Schicht zwischen der Elektrode und der Bodenschicht dick genug um elektrischen Durchschlag zwischen den Schichten zu verhindern. Im Allgemeinen sollte die Dicke über 10µm. Während der Abscheidung der dicken dielektrische Schicht kann die Eigenspannungen aus den hinterlegten Filmen Verbeugung des Substrats oder Schäden an den hinterlegten Filmen führen. So ist steuern die Restspannung eines der wichtigsten Techniken in der Herstellung der Oberfläche Ionenfallen. Zweitens sollte die Belichtung der dielektrischen Oberflächen auf die Ionen-Position minimiert werden, da streunende Gebühren auf das dielektrische Material von verstreuten Ultraviolett (UV) Laser, induziert werden können die in wiederum führt eine zufällige Verschiebung von Ionen zu positionieren. Die exponierte Bereich kann durch die Gestaltung Überhang Elektrodenstrukturen reduziert werden. Es wurde berichtet, dass das Ionenfallen mit Elektrode Überhänge sind resistent gegen laden unter typischen Versuchsbedingungen32Oberfläche. Dritte, alle Materialien, einschließlich der verschiedenen hinterlegte Filmen sollte 200 ° C backen für ca. 2 Wochen aushalten, und die Höhe der Ausgasung aus allen Materialien sollte mit UHV-Umgebungen kompatibel sein. Das Design der Oberfläche Ionenfallen-Chips-Microfabricated in diesem Papier basiert auf der Falle Design von33, die erfolgreich in verschiedenen Experimenten32,33,34, verwendet wurde 35. beachten Sie, dass dieses Design einen Schlitz in der Mitte des Chips enthält, für Laden von neutralen Atomen, die später Foto-für Überfüllung ionisiert.
Nach der Herstellung von Ionenfallen Chip ist der Chip montiert und elektrisch angeschlossen an den Chip-Träger mit gold Bonddrähte. Der Chip-Träger wird dann in einer UHV-Kammer installiert. Eine detaillierte Anleitung für die Vorbereitung einer Trap-Chip-Package und das Design der UHV-Kammer werden in das Ergänzende Dokumentbereitgestellt.
Vorbereitung der Trapping-Ionen, die optische und elektrische Ausrüstung sowie die experimentelle Verfahren sind in Schritt 2 ausführlich erläutert. Die Ionen durch die ponderomotorische potenzielle gefangen sind in der Regel unterliegen den Schwankungen des umgebenden elektrischen Feldes, die kontinuierlich die mittlere kinetische Energie der Ionen erhöht. Laser cooling anhand der Doppler-Verschiebung kann verwendet werden, um die überschüssige Energie aus der Bewegung der Ionen zu entfernen. Abbildung 2 zeigt die vereinfachte Energieniveau Diagramme von einem 174Yb+ Ion und eine neutrale 174Yb Atom. Doppler Kühlung von 174Yb+ -Ionen erfordert eine 369,5-nm-Laser und eine 935-nm-Laser, während Foto-Ionisation der neutralen 174Yb Atome einen 399-nm-Laser erfordert. 2.2 und 2.3 beschrieben, eine effiziente Methode um diese Laser die Oberfläche Ionenfallen-Chip und ein Verfahren zu finden, die richtigen Voraussetzungen für Foto-Ionisation auszurichten. Nachdem die optischen und elektrischen Komponenten vorbereitet sind, ist das Einfangen von Ionen relativ einfach. Die experimentelle Sequenz für Trapping-Ionen ist in Schritt 2.4 vorgestellt.

<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

Ionen in einem Quadrupol Paulfalle gefangen wurden eines der starken physischen Kandidaten zur Quanteninformationsverarbeitung Umsetzung berücksichtigt. Dies ist aufgrund ihrer langen Kohärenz-Zeit und ihre Fähigkeit zu manipulieren und zu einzelnen Quantenbits (Qubits) zu erkennen. In den letzten Jahren haben Microfabricated Oberfläche Ionenfallen mehr Aufmerksamkeit für groß angelegte integrierte Qubit-Plattformen erhalten. Dieses Papier stellt eine Microfabrication Methodik für Ionenfallen mit Micro-Electro-Mechanical (MEMS)-Systemtechnologie, einschließlich der Herstellungsverfahren für einen 14 µm dicken dielektrische Schicht und Metall Überhang Strukturen auf die dielektrische Schicht. Darüber hinaus ist ein experimentelles Verfahren für trapping Ytterbium (Yb) Ionen des Isotops 174 (174Yb+) mit 369.5 nm, 399 nm, und 935 nm Diodenlaser wird beschrieben. Diese Methoden und Verfahren beinhalten viele wissenschaftliche und technische Disziplinen, und dieser Beitrag stellt zunächst die detaillierte experimentelle Verfahren. In diesem Artikel beschriebenen Methoden sind leicht um das Abfangen von Yb-Ionen des Isotops 171 (171Yb+) und die Manipulation der Qubits erweiterbar.

Abbildung 7 zeigt den Scan Elektron Mikrographen (SEM) von den vorgefertigten Ionenfallen-Chip. RF-Elektroden, innere DC-Elektroden, äußere DC-Elektroden und Ladeschlitz wurden erfolgreich hergestellt. Die Seitenwand Profil der dielektrischen Säule wurde gezackt, weil das PECVD-Oxid in mehreren Schritten hinterlegt wurde. Mehrere Ablagerung Schritte wurden verwendet, um die Auswirkungen von Eigenspannungen aus dicken Oxid Filmen zu minimieren. Dies wird in der Diskussionweiter beschrieben.

Abbildung 8 zeigt das EMCCD Bild von fünf 174Yb+ Ionen gefangen, mit dem Microfabricated Ionenfallen Chip. Die Gefangenen Ionen können mit kontinuierlicher Doppler für mehr als 24 h dauern Kühlung. Die Zahl der Gefangenen Ionen einstellbar zwischen 1 und 20 durch Ändern der angewandten DC Spannung gesetzt. Dieser Versuchsaufbau ist sehr zuverlässig und robust und hat z.z. seit 50 Monate in Betrieb gewesen.
Abbildung 9 zeigt die pendelt der Gefangenen Ionen entlang der axialen Richtung. Die Ionen-Position in Abbildung 9 b ist aus, die in Abbildung 9a durch die Einstellung der Position der möglichen minimalen DC verschoben, durch Ändern der Gleichspannungen.
Abbildung 10 zeigt die vorläufigen Ergebnisse der Rabi Oszillation Experimente mit einem 171Yb+ Ion. Um die Ergebnisse zu erhalten, wurden die zusätzliche Setups im Zusatzdokument beschrieben verwendet. Die Ergebnisse wurden aufgenommen, um eine mögliche Anwendung des experimentellen Aufbaus erklärt in diesem Beitrag zeigen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Schematische der Oberfläche Ionenfallen. (ein) die roten Punkte stehen für die Gefangenen Ionen. Die braunen und gelben Elektroden zeigen die RF und DC Elektroden bzw.. Die grauen Pfeile zeigen die Richtung des elektrischen Feldes in der positiven Phase der HF-Spannung. Beachten Sie, dass der Schaltplan ist nicht maßstabsgetreu. (b) der vertikalen Dimensionen der Elektrodenstruktur. (c) die seitlichen Abmessungen der Elektrodenstruktur. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Abbildung 2: Vereinfachte Energieniveau Diagramme von einem 174Yb+ Ion und eine neutrale 174Yb Atom. (ein) Wenn ein 369.5 nm Laser an das rote Seite (niedrigere Frequenz) der Resonanz verstimmt ist, ein Fahrrad Übergang zwischen 2P1/2 und 2S1/2 reduziert die kinetische Energie des Ions wegen der Doppler Wirkung. Gelegentlich eine kleine, aber endliche Verzweigung Verhältnis macht den Elektron Zerfall aus 2P1/2 bis 2D3/2, und ein 935-nm-Laser ist erforderlich, um das Elektron wieder zurück zu den wichtigsten Radsport Übergang. Das Elektron kann auch in einen 2F7/2 Zustand einmal pro Stunde, durchschnittlich, zerfallen und 638 nm Laser Pumpen es aus 2F7/2 Zustand, aber dies ist nicht notwendig für ein einfaches System-38. Die Werte in der Ket-Notation darstellen die Projektionen der total Angular Momenta J entlang der Quantisierung Achse mJ. (b) um neutrale Atome aus dem Ofen, ein zwei-Photonen-Absorptionsprozess verdampft ionisieren war gebrauchte39. 399 nm Laser aufgeregt ein Elektron 1P1 Zustand, und das 369.5 nm Photon Doppler Kühlung hatte mehr Energie als notwendig, das aufgeregte Elektron aus der Ionen entfernen. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Abbildung 3: Fertigung Ablauf der Oberfläche Ionenfallen. (ein) thermische Oxidation, eine 5.000 Å dicken SiO2 Schicht und LPCVD einer 2.000 Å dicken Si3N4 Schicht wachsen. (b) Ablagerung und ICP Ätzen einer 1,5 µm dicken gesputterten Al-Schicht. (c) Abscheidung eines 14 µm dicken SiO2 Schicht auf beiden Seiten des Wafers mit PECVD-Verfahren. (d) Strukturierung der 14 µm dicken SiO2 Schicht abgeschieden auf der Vorderseite des Wafers mit einem RIE-Verfahren (e) Strukturierung der 14 µm dicken SiO2 Schicht auf der Rückseite des Wafers mit einem RIE-Verfahren hinterlegt. (f) Ablagerung von einem 1,5 µm dicken gesputterten Al-Schicht und einer 1 µm Dicke PECVD-SiO2 Schicht. (g) Strukturierung von 1,5 µm dicken Al-Schicht mit einem ICP-Verfahren und 1 µm dicken SiO2 Schicht mit einem RIE verarbeiten. (h) hinterlegt Musterung der 14 µm dicken SiO2 Schicht auf der Vorderseite des Wafers mit einem RIE-Verfahren. (ich) Strukturierung von 5.000 Å dicken SiO2 Schicht und die 2.000 Å dicken Si3N4 Schicht mit einem RIE verarbeiten. (j) DRIE das Siliziumsubstrat 450 µm von der Rückseite des Wafers. (k) nass-Ätzen der SiO2 Schicht auf die Al-Elektroden und den Seitenwänden der dielektrischen Säulen. (l) Eindringen von Silizium-Substrat von vorne durch einen DRIE-Prozess. Beachten Sie, dass die Schaltpläne sind nicht maßstabsgetreu. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Abbildung 4: ein Beispiel für die DC-Spannung gesetzt verwendet, um Ionen trap. Die Spannungen auf die Innenschienen angewendet können das asymmetrische elektrische Feld in horizontaler Richtung der Hauptachsen des Gesamtpotenzials in der Querebene kippen kompensieren. Die axiale Falle Frequenz von eingestellten Spannung erzeugt wurde 550 kHz. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Ether.within-Seite "1" = ><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Abbildung 5: Schema des optischen Aufbaus. Drei Diodenlaser sind so ausgerichtet, an der Trapping-Position überlappen. Versenkte Ansichtsfenster der UHV-Kammer ermöglicht die Bildbearbeitung Objektiv platziert werden so nah wie möglich an den Chip-Oberfläche. Eine Spiegel platziert zwischen dem bildgebenden Objektiv und der EMCCD ermöglicht die gezielte Überwachung der Ionen-Fluoreszenz mit entweder einem Photon multipliziert Schlauch (PMT) oder einer EMCCD. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Abbildung 6: Bilder von der konstruierten optischen Aufbau. (ein) A Spule wird gewickelt, um das vordere Ansichtsfenster der Kammer zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das entartete Energieniveaus von Ytterbium Ionen brechen kann. (b) der optische Aufbau für die Lenkung der 399 nm und 935 nm Balken. Die roten und grünen Linien geben den Strahlengang der 935 nm und 399 nm Laser, beziehungsweise. (c) die Konfiguration der Imaging Systems, einschließlich der Spiegel, der bildgebenden Linse, die EMCCD und die Zlg. Der Weg der von den Gefangenen Ionen emittiert Fluoreszenz kann von der Spiegel bestimmt werden. Die grün-weißen Pfeile zeigen den Weg der Fluoreszenz, wenn durch die EMCCD und der PMT bzw. überwacht werden. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Abbildung 7: Herstellung Ergebnisse der Oberfläche Ionenfallen. (ein) Überblick über das Chip-Layout. (b) einer vergrößerten Ansicht des Chip-Layout, das mehrere äußere DC Elektroden zeigt. (c) einer vergrößerten Ansicht des Chip-Layout, das den Ladeschlitz zeigt. (d) eine Cross-sectional Blick auf die Trapping-Region vor dem Eindringen der Ladeschlitz. (e) eine Cross-sectional Blick auf die Trapping-Region nach Eindringen der Ladeschlitz. (f) A vergrößert Querschnittsansicht der Oxid-Säule. Die Oxid-Säulen haben Wände gezackt und die Längen des Überhangs reichen nicht aus, die die ungleichmäßige Etch-Rate der SiO2 an den Schnittstellen zwischen den separat hinterlegten 3,5 µm dicken SiO2 Schichten zugeschrieben wird. (g) A Draufsicht eines Drahtbonden Pads einer DC-Elektrode. (h) A Querschnittsansicht einer über. Geneigte Profile der Oxid-Säulen ermöglichen die Verbindung von der DC-Elektrode und die Grundebene während der Abscheidung der Al-Schicht auf der Seitenwand der Oxid-Säule statt Füllung der durch Löcher mit einem galvanischen Prozess. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Abbildung 8: ein EMCCD Bild von fünf 174Yb+ Ionen gefangen auf dem Microfabricated Ionenfallen Chip. Das Bild von der Oberfläche Falle Elektrodenstruktur separat gemacht wurde, und die Bilder des eingeschlossenen Ions und der Elektroden wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit kombiniert. Die Intensität Legende bezieht sich nur auf die Pixel in das Feld ein. Der Dicke Pfeil zeigt den Strahlengang des 369.5 nm Lasers und die dünne Pfeile stellen die X - und Z-Komponenten den Impuls des Photons. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Abbildung 9: Anpassung des axialen Potenzials der Gefangenen Ionen in einer linearen Kette. (ein) sieben Ionen in der Mitte der Falle. (b) die Ionen wurden geshuttelt zehn Mikrometern. (c) drückte die Ionen-Zeichenfolge in axialer Richtung. Diese Zahl ist am besten als einen Film angesehen, die separat hochgeladen ist. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Abbildung 10: Experimentelle Ergebnisse von Rabi Schwingungen zwischen den | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> und | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Staaten. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> ist definiert als die 2S-1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Stand der 171Yb+ Ion, und | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> ist definiert als die 2S-1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Stand. Die Rabi Schwingung wird durch ein 12,6428-GHz-Mikrowellen induziert. Bloch-Kugeln über die Handlung zeigen die entsprechenden Quantenzustände zu unterschiedlichen Zeiten. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Ergänzende Dokument: <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Klicken Sie bitte hier, um dieses Dokument zu downloaden.</a>

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Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Dieses Papier stellt eine Microfabrication Methodik zur Oberfläche Ionenfallen, sowie ein detailliertes experimentelle Verfahren für Überfüllung Ytterbium Ionen in einer Raumtemperatur Umgebung.

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Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutronenpulver Mit Maßgeschneiderte Lithium-Ionen-Batterien

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Biomolecules Using EBL Fabricated Nanostructured Substrates

Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie Detektion von Biomolekülen Mit EBL Fabricated nanostrukturierte Substrate

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules ...

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

Speziation und Bioverfügbarkeit Messungen der Umwelt Plutonium Mit Diffusion in dünnen Schichten

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Erweiterte Experimentelle Methoden für Niedertemperatur-Magneto Messung der Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Formgedächtnis-Based Elastocaloric Kühlprozesse und Modellvalidierung

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Emissionsspektroskopische Grenzschichtuntersuchung während ablative Materialprüfung in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering ...