Alumni-Preis 2016

Betreuer: Prof. Dr. Tobias Schätz

Kurzzusammenfassung der Arbeit:

Bei einem Kristallisationsprozess strebt das System nach einem Zustand minimaler Energie. Erfolgt der Phasenübergang jedoch so schnell, dass kein Informationsaustausch zwischen verschiedenen Subdomänen stattfindet, können sich strukturelle Defekte ausbilden. Erstmals wurden solche Defekte in lasergekühlten Ionenkristallen experimentell nachgewiesen und weiter untersucht [1, 2].

Strukturelle Defekte in Coulomb Kristallen, die aus lasergekühlten ²⁴Mg⁺ Ionen in einer Paulfalle bestehen, können als Quasiteilchen mit Eigenschaften diskreter Solitonen angesehen werden. Beispielsweise unterscheiden sich deren Bewegungseigenmoden von Konfigurationen, die sich im globalen energetischen Minimum befinden. Eine lineare Paulfalle bietet eine störungsfreie und kontrollierbare Umgebung zur Untersuchung solcher Defekte.

Die Untersuchung kalter Ionen benötigt einen dedizierten experimentellen Aufbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine vorhandene Paulfalle mit einem Lasersystem sowie der notwendigen Elektronik ausgerüstet und bietet nun die Möglichkeit Mg⁺ Ionen zu fangen, diese zu manipulieren und ihre Fluoreszenz zu detektieren.

Für die Untersuchung von strukturellen Defekten werden Ionenkristalle definierter Größe verlangt, die in einem stabilen Potential gefangen sind. Deshalb wurden die grundlegenden Eigenschaften der Falle analysiert, und experimentelle Methoden zur Untersuchung und Manipulation der Eigenschaften von Coulomb Kristallen realisiert. Außerdem wurden experimentelle Sequenzen zur Erzeugung isotopenreiner Kristalle einer gewünschten Ionenanzahl implementiert. Deren Struktur kann durch das einstellbare Fallenpotential, das durch seine Sekularfrequenzen charakterisiert ist, beeinflusst werden.

Experimentell zugängliche strukturelle Defekte unterschiedlicher Ausprägungen, auch Kinks genannt, werden vorgestellt, von welchen ein Typ detailliert untersucht wird. Seine Eigenschaften wie Lebensdauer, Häufigkeit und Aussehen werden in Abhängigkeit von Ionenanzahl und Fallenpotential untersucht. Des Weiteren wurden Methoden zur gezielten Erzeugung solcher Defekte implementiert. Erstmals werden experimentelle Ergebnisse zur Spektroskopie der Vibrationseigenmoden eines Kinks vorgestellt und diskutiert.

[1] Ch. Schneider Rep. Prog. Phys. 75, 024401 (2012)
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/2/024401/meta

[2] M. Mielenz Phys. Rev. Lett. *110*, 133004 (2013)
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i13/e133004