Homogenní magnetické pole pro spektroskopii s chladnými ionty

Abstract

Náplní doktorské práce je návrh a realizace nové experimentální aparatury pro optické iontové hodiny s vysoce stabilním a homogenní magnetickým polem v oblasti zachycených iontů. Hlavním cílem práce je využít poznatky z předchozí generace experimentální sestavy optických iontových hodin a radikálně zlepšit homogenitu magnetického pole, které je kritické pro minimalizaci systematických frekvenčních posuvů při spektroskopii úzkopásmových přechodů iontu vápníku 40Ca+. Práce se zabývá návrhem a konstrukcí klíčových subsystémů, zahrnujících kompaktní vakuovou komoru, lineární Paulovu past a především systém cívek určených pro generování homogenní magnetického pole. Důležitou částí práce je také návrh a realizace pasivního magnetického stínění pro oblast zachycení iontů. Za tímto účelem bylo provedeno množství numerických simulací a optimalizací generování a stínění homogenního magnetického pole, na jejichž základě byla nová sestava realizována. Praktická část práce prezentuje dosažení ultravysokého vakua a charakterizaci generovaného magnetického pole, která potvrzuje shodu s teoretickými modely. Experimentálně byla také ověřena realizace buzení magnetického pole pomocí uspořádání souboru permanentních magnetů. Realizovaná nová aparatura představuje robustní platformu připravenou pro spektroskopii zachycených iontů vápníku a pro následnou implementaci kvantové logické spektroskopie s ionty hliníku.

The doctoral thesis focuses on the design and implementation of new experimental apparatus for optical ion clocks with a highly stable and homogeneous magnetic field in the area of trapped ions. The main objective of the thesis is to use the knowledge from the previous generation of experimental optical ion clock setup to radically improve the homogeneity of the magnetic field, which is critical for minimizing systematic frequency shifts in the spectroscopy of narrow-band transitions of the calcium ion 40Ca+. The work deals with the design and construction of key subsystems, including a compact vacuum chamber, a linear Paul trap, and a system of coils designed to generate a homogeneous magnetic field. An important part of the work is also the design and implementation of passive magnetic shielding for the ion trapping area. For this purpose, a number of numerical simulations and optimizations of the generation and shielding of a homogeneous magnetic field were performed, on the basis of which the new assembly was implemented. The practical part of the work presents the achievement of an ultra-high vacuum and the characterization of the generated magnetic field, which confirms its consistency with theoretical models. The implementation of magnetic field excitation using an assembly of permanent magnets was also verified experimentally. The implemented new apparatus represents a robust platform ready for spectroscopy of trapped calcium ions and for the subsequent implementation of quantum logic spectroscopy with aluminum ions.