Diseño, armado y caracterización de una trampa lineal de iones

• Autores: Filgueira, Lautaro Ezequiel
• Año de publicación: 2025
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Schmiegelow, Christian Tomás
• Materia: TRAMPA DE IONES; MICROMOCION; OPTICA; EXPERIMENTOS PULSADOS; ESPECTROSCOPIA COHERENTE; ION TRAP; MICROMOTION; OPTICS; PULSED EXPERIMENTS; COHERENT SPECTROSCOPY
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En este trabajo se presenta el diseño, construcción y caracterización de una trampa lineal de Paul para el confinamiento de iones mediante un campo electrodinámico, optimizada para disminuir la micromoción y poder atrapar y enfriar cadenas que van desde un único ion hasta cristales compuestos de varias decenas de iones. Se describen los parámetros requeridos para atrapar, enfriar y controlar distintos isótopos de iterbio, incluyendo técnicas de preparación y discriminación de estados, así como las soluciones a problemas experimentales que permiten realizar espectroscopía coherente y estudiar la posible interacción con haces estructurados. El sistema requiere no solo el confinamiento eléctrico, sino también un conjunto de láseres, campos magnéticos y micro-ondas. El enfriamiento se logra mediante enfriado Doppler en la transición 2S1/2 → 2P1/2, cuya fluorescencia permite visualizar los iones. Se emplea un sistema de control basado en FPGA, que permite la sincronización precisa entre distintos instrumentos, para llevar a cabo experimentos pulsados en el orden de los micro-segundos. Todos los elementos experimentales desarrollados son presentados y discutidos en este trabajo. La trampa muestra un desempeño consistente con las simulaciones y las diferencias encontradas se explican por las tolerancias de fabricación, corregibles gracias a la versatilidad del diseño. El sistema de atrapado final es robusto y se presentan los resultados de oscilaciones coherentes medidas, dando lugar a futuras caracterizaciones que permitirán evaluar con mayor precisión, la micromoción presente en el centro de la trampa.
This work presents the design, construction, and characterization of a linear Paul trap for ion confinement using an electrodynamic field, optimized for low micromotion to capture and cool chains ranging from a single ion to crystals composed of several tens of ions. The parameters required to trap, cool, and control different ytterbium isotopes are described, including state preparation and discrimination techniques, as well as solutions to experimental challenges that enable coherent spectroscopy and the study of possible interactions with structured light beams. The system requires not only electrical confinement but also a set of lasers, magnetic fields, and microwaves. Cooling is achieved through Doppler cooling on the 2S1/2 → 2P1/2 transition, whose fluorescence allows the ions to be imaged. An FPGA-based control system provides precise synchronization among different instruments, enabling pulsed experiments on the microsecond timescale. All experimental components developed are presented and discussed in this work. The trap exhibits performance consistent with simulations, with differences attributable to fabrication tolerances, which can be corrected thanks to the versatility of the design. The final trapping system is robust, and measured coherent oscillations are presented, paving the way for future characterizations that will allow a more precise evaluation of the micromotion at the trap center.
Fil: Filgueira, Lautaro Ezequiel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.