Beliebige Bewegung in drei Dimensionen
«Um ein Ion beliebig in drei Dimensionen zu bewegen, haben wir vor zwei Jahren eine neuartige Chip-Falle entwickelt», erklärt Doktorand Tobias Sägesser. Während herkömmliche Fallen die geladenen Atome mit oszillierenden – sprich schwingenden – elektrischen Feldern im Radiofrequenzbereich einfangen, benutzen die ETH-Forschenden eine so genannte Penning-Falle, die auf einer Kombination aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern beruht.
«Das hat gleich zwei bedeutende Vorteile», sagt Shreyans Jain, ebenfalls Doktorand in Homes Arbeitsgruppe: «Zum einen erlaubt es, die Ionen in drei Dimensionen zu positionieren, was mit den Radiofrequenz-Fallen nicht möglich ist. Zum anderen macht die Abwesenheit schwingender Felder in der Falle es einfacher, winzige oszillierende Felder auf dem Chip nachzuweisen.»
Die Messung kleinster oszillierender elektrischer Felder funktioniert so: Zunächst kühlen die Forschenden ein gefangenes Beryllium-Ion mit Hilfe von Laserstrahlen soweit ab, dass es den niedrigsten quantenmechanischen Schwingungszustand in der Falle einnimmt, also praktisch stillsteht. Dann verändern sie die elektrischen Spannungen an den Elektroden der Falle so, dass das Ion an die gewünschte Stelle über dem Chip wandert. «Dabei können wir die Höhe über dem Chip von 50 Mikrometern bis zu 450 Mikrometern variieren und eine Oberfläche von 200 mal 200 Mikrometern abscannen», sagt Sägesser.