en fr Ion based microwave clocks : transport and analysis of an ion cloud in a multi-zone rf-trap Horloge micro-onde a ions : analyse et transport dun nuage dions dans un piege a plusieurs zones Report as inadecuate

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1 PIIM - Physique des interactions ioniques et molculaires

Abstract : This thesis is part of a project aiming to explore the performance limiting factors of a microwave ion clock. This work is based on the observation and manipulation of a large ion cloud in potentials with different geometries. The purpose is to analyze and transport a large cloud of more than 10^6 ions in a linear radio-frequency trap with several zones. In our group, we have a three-zone trap for calcium ion trapping : two quadrupole parts and an octupole part mounted inline. Ions are created in the first quadrupole part by photo- ionization and cooled by lasers along the trap z axis. We study the creation of a large ion cloud in the first part of the trap. The current trapping and cooling parameters limit the maximum size of the cloud to 1, 2.10^5 ions. with an optimized transport protocol, these ions are transfered in the second part of the trap and then in the octupole trap with an efficiency of up to 100 % for cloud sizes exceeding 10^5 ions. All transport protocoles are at least a factor of 10^3 faster than adiabatic transport. The study of the fraction of the ions leaving the initial trap as function of the transport duration shows an oscillation between a high probability of departure and a zero probability. In addition, the results show a different behavior for the two transport directions. We exploit this asymmetric transport to add ions in the second or third trap without loss of the already trapped ions. This accumulation technique has improved the number of trapped ions to 2.5.10^5 in the second and third trap. The system parameters, such as the laser power available for cooling and the size of the cloud seems to be the major limiting factor of this number. Finally the observation of the fluorescence of the ions in the octupole shows that the laser cooled ions are localised in three different potential wells. This is in contradiction with the hollow structure predicted by the analytical fluid model and molecular dynamics simulations. The cause of this difference is a tiny defect of about 1% in the octupole symmetry of the RF-electrodes which leads to harmonic local minima in the multipole potential. These results will improve the frequency stability of ion based micro-wave clocks by providing some solutions to increase the number of cold trapped ion, to transport large ion clouds in the gas phase faster than adiabatic and to exploire the sensitivity of the laser-cooled ion structure to symmetry breaking in multipole trap.

Rsum : Cette these a ete effectuee dans le cadre dun projet qui vise a explorer les facteurs limitants des performances dune horloge a ions dans le domaine des frequences micro-onde. Ce travail repose sur lobservation et la manipulation dun grand nuage dions dans des potentiels de geometries differentes. Le but est lanalyse et le transport dun grand nuage pouvant depasser 10^6 ions dans un piege radio-frequence lineaire a plusieurs zones. Dans notre groupe, nous disposons dun piege a trois zones destine au piegeage dions calcium : deux parties quadrupolaires et une partie octupolaire montees en ligne. Les ions sont crees dans la premiere partie quadrupolaire par photo-ionisation et refroidis par laser le long de laxe de symetrie du piege. Nous avons dabord etudie comment creer dans la premiere partie du piege un grand nuage. La limite actuelle des parametres de confinement et de refroidissement laser permet de confiner et de detecter des nuages de taille maximale de 1, 2.105 ions. Ensuite grace a un protocole de transport optimise, ces ions sont transportes dans la deuxieme partie du piege puis dans loctupole avec une efficacite pouvant atteindre 100% pour des tailles de nuage depassant les 105 ions. Tous les protocoles de transport sont au moins un facteur 10^3 plus rapide que le transport adiabatique. Une analyse du nombre dions quittant le piege dorigine en fonction de la duree du transport montre une alternance entre une grande probabilite de depart et une probabilite nulle. De plus, ce comportement revele une difference entre les deux sens du transport. Nous exploitons cette asymetrie pour ajouter des ions dans le deuxieme ou troisieme piege sans perte du nuage initialement pre- sent. Cette technique daccumulation a permis daugmenter le nombre dions pieges mesure a 2, 5.10^5 ions dans le deuxieme et troisieme piege. Des parametres du systeme tels que la puissance laser disponible pour le refroidissement et lextension des dimensions du nuage semblent etre les facteurs limitant ce nombre. Enfin, dans le piege octupolaire, lobserva- tion de la fluorescence induite des ions montre que, soumis au refroidissement laser, les ions sorganisent dans trois puits de potentiel distincts. Ceci est en contradiction avec la structure creuse prevue par le modele fluide analytique et les simulations de dynamique moleculaire. La cause de cette difference est un minuscule defaut denviron 1% dans la symetrie octupolaire des barreaux qui conduit a des minima locaux harmoniques dans le puits de potentiel multipolaire. Ce travail participe a lamelioration de la stabilite des hor- loges micro-onde a ions en fournissant des pistes pour augmenter la taille des nuages froids pieges, pour transporter rapidement de grands nuages en phase gazeuse et en mettant en evidence la sensibilite de lorganisation des ions refroidis par laser aux defauts de symetrie dans les multipoles.

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Keywords : trapped ions laser cooling transport

Mots-cls : ions pigs refroidissement laser transport

Author: Marius Kamsap -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/


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