DE102023132698B4 - Trap for ions or neutral atoms - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Falle für Ionen oder neutrale Atome angegeben, aufweisend:
- ein optisches System (1) zum Sammeln einer Fluoreszenzemission (2) von gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atomen (3), wobei
- das optische System (1) ein Substrat (4) mit einer nanostrukturierten Oberfläche (5) aufweist, und
- die nanostrukturierte Oberfläche (5) dazu eingerichtet ist, die einfallende Fluoreszenzemission (2) zu fokussieren und/oder umzulenken.
A trap for ions or neutral atoms is specified, comprising:
- an optical system (1) for collecting a fluorescence emission (2) from trapped ions or trapped neutral atoms (3), wherein
- the optical system (1) comprises a substrate (4) with a nanostructured surface (5), and
- the nanostructured surface (5) is designed to focus and/or redirect the incident fluorescence emission (2).
Description
Es wird eine Falle für Ionen oder neutrale Atome angegeben.A trap for ions or neutral atoms is specified.
Die Druckschrift
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Die Druckschrift
Zumindest eine Aufgabe bestimmter Ausführungsformen ist es, eine Falle für Ionen oder neutrale Atome anzugeben, die ein optisches System aufweist, das besonders kompakt ist. Diese Aufgabe wird durch die Falle für Ionen oder neutrale Atome mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.At least one object of certain embodiments is to provide a trap for ions or neutral atoms that has a particularly compact optical system. This object is achieved by the trap for ions or neutral atoms having the features according to the independent claim.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Falle für Ionen oder neutrale Atome sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments and further developments of the trap for ions or neutral atoms are specified in the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt weist die Falle für Ionen oder neutrale Atome ein optisches System zum Sammeln einer Fluoreszenzemission von gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atomen auf. Hier und im Folgenden bezeichnet „Fluoreszenz“ oder „Fluoreszenzemission“ die elektromagnetische Strahlung, die von einem oder mehreren gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atomen aufgrund spontaner Emission emittiert wird, nachdem die gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atome durch Absorption elektromagnetischer Strahlung angeregt wurden. Die Fluoreszenzemission weist zum Beispiel elektromagnetische Strahlung in einem Spektralbereich zwischen Infrarotlicht und ultraviolettem Licht auf. Insbesondere liegt die Fluoreszenzemission im ultravioletten Spektralbereich.According to one aspect, the trap for ions or neutral atoms comprises an optical system for collecting fluorescence emission from trapped ions or trapped neutral atoms. Here and below, "fluorescence" or "fluorescence emission" refers to the electromagnetic radiation emitted by one or more trapped ions or trapped neutral atoms due to spontaneous emission after the trapped ions or trapped neutral atoms have been excited by absorption of electromagnetic radiation. The fluorescence emission comprises, for example, electromagnetic radiation in a spectral range between infrared light and ultraviolet light. In particular, the fluorescence emission lies in the ultraviolet spectral range.
Hier und im Folgenden bezeichnet der Begriff „gefangene Ionen“ ein Ion, zwei Ionen, drei Ionen oder eine Vielzahl von Ionen, die zum Beispiel mit Hilfe elektrischer Felder oder einer Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern gefangen werden. Insbesondere sind die Ionen elektrisch geladen. Die gefangenen Ionen werden beispielsweise in einer Ionenfalle, wie einer Penning- oder Paul-Falle, gefangen. Die Ionenfalle ist zum Beispiel Teil eines Quantencomputers, der Quanteninformation unter Verwendung gefangener Ionen als Qubits verarbeitet.Here and in the following, the term "trapped ions" refers to one ion, two ions, three ions, or a plurality of ions that are trapped, for example, using electric fields or a combination of electric and magnetic fields. In particular, the ions are electrically charged. The trapped ions are trapped, for example, in an ion trap, such as a Penning or Paul trap. The ion trap is, for example, part of a quantum computer that processes quantum information using trapped ions as qubits.
Hier und im Folgenden bezeichnet der Begriff „gefangene neutrale Atome“ ein, zwei, drei oder mehrere neutrale Atome, die zum Beispiel in einem optischen Gitter, in einer optischen Pinzette, in einem optischen Pinzetten-Array (Englisch: optical tweezer array) oder in einer magnetischen Falle gefangen sind. Zum Beispiel werden neutrale Atome abhängig von ihrer Polarisierbarkeit in Knoten oder Bäuchen einer stehenden elektromagnetischen Welle und/oder im Brennpunkt eines Laserstrahls gefangen. Die stehende elektromagnetische Welle wird zum Beispiel in einem optischen Resonator gebildet. Insbesondere werden die neutralen Atome aufgrund einer AC-Stark-Verschiebung (Englisch: AC Stark-shift) ihrer Energieniveaus gefangen, wenn sie zum Beispiel mit dem elektrischen Feld der stehenden elektromagnetischen Welle und/oder des Laserstrahls wechselwirken. Zum Beispiel werden neutrale Atome in der magnetischen Falle mit Hilfe eines Potentialtopfes aufgrund der Kopplung zwischen einem externen Magnetfeld und einem magnetischen Dipolmoment der neutralen Atome gefangen. Die magnetische Falle, das optische Gitter oder das optische Pinzetten-Array ist beispielsweise Teil eines Quantencomputers, der Quanteninformationen unter Verwendung gefangener neutraler Atome als Qubits verarbeitet.Here and in the following, the term "trapped neutral atoms" refers to one, two, three, or more neutral atoms trapped, for example, in an optical grating, optical tweezers, an optical tweezer array, or a magnetic trap. For example, depending on their polarizability, neutral atoms are trapped in nodes or antinodes of a standing electromagnetic wave and/or at the focal point of a laser beam. The standing electromagnetic wave is formed, for example, in an optical resonator. In particular, the neutral atoms are trapped due to an AC Stark shift of their energy levels when they interact, for example, with the electric field of the standing electromagnetic wave and/or the laser beam. For example, neutral atoms are trapped in the magnetic trap with the help of a potential well due to the coupling between an external magnetic field and a magnetic dipole moment of the neutral atoms. The magnetic trap, optical grating, or optical tweezers array, for example, is part of a quantum computer that processes quantum information using trapped neutral atoms as qubits.
Insbesondere werden die gefangenen Ionen oder die gefangenen neutralen Atome in einer Ultrahochvakuum-Umgebung gefangen. Die Falle für Ionen oder neutrale Atome weist zum Beispiel eine Vakuumkammer auf. Insbesondere beträgt der Druck im Inneren der Vakuumkammer während des Betriebs der Falle für Ionen oder neutrale Atome höchstens 10-7 Pa. Beispielsweise liegt der Druck im Inneren der Vakuumkammer während des Betriebs der Falle für Ionen oder neutrale Atome zwischen einschließlich 10-10 Pa und einschließlich 10-7 Pa. Insbesondere sind die Penning-Falle, die Paul-Falle, das optische Gitter, die magnetische Falle, die optische Pinzette und/oder das optische Pinzetten-Array innerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Zum Beispiel ist das optische System innerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Es ist auch möglich, dass das optische System, oder zumindest ein Teil des optischen Systems, außerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist.In particular, the trapped ions or neutral atoms are trapped in an ultra-high vacuum environment. The trap for ions or neutral atoms comprises, for example, a vacuum chamber. In particular, the pressure inside the vacuum chamber during operation of the trap for ions or neutral atoms is at most 10 -7 Pa. For example, the pressure inside the vacuum chamber during operation of the trap for ions or neutral atoms is between 10 -10 Pa and 10 -7 Pa inclusive. In particular, the Penning trap, the Paul trap, the optical grating, the magnetic trap, the optical tweezers, and/or the optical tweezers array are arranged within the vacuum chamber. For example, the optical system is arranged within the vacuum chamber. It is also possible for the optical system, or at least part of the optical system, to be arranged outside the vacuum chamber.
Insbesondere ist das optische System derart eingerichtet, dass die Fluoreszenz eines einzelnen gefangenen Ions oder eines einzelnen gefangenen neutralen Atoms gesammelt und anschließend von einem Detektor erfasst werden kann. Zum Beispiel ist das optische System dazu eingerichtet, die Fluoreszenzemission eines Ions, zweier Ionen oder einer Vielzahl von Ionen, die in der Ionenfalle gefangen sind, zu sammeln. Zum Beispiel ist das optische System dazu eingerichtet, die Fluoreszenzemission eines neutralen Atoms, zweier neutraler Atome oder einer Vielzahl neutraler Atome zu sammeln, die in dem optischen Gitter, der magnetischen Falle, der optischen Pinzette oder dem optischen Pinzetten-Array gefangen sind. Insbesondere wird die Fluoreszenzemission der mehreren gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atome derart gesammelt, dass die von einzelnen Ionen oder einzelnen neutralen Atomen emittierte Fluoreszenz detektiert werden kann und/oder derart gesammelt, dass die von benachbarten gefangenen Ionen oder benachbarten gefangenen neutralen Atomen emittierte Fluoreszenz unterschieden werden kann.In particular, the optical system is configured such that the fluorescence of a single trapped ion or a single trapped neutral atom can be collected and subsequently detected by a detector. For example, the optical system is configured to collect the fluorescence emission of one ion, two ions, or a plurality of ions trapped in the ion trap. For example, the optical system is configured to collect the fluorescence emission of one neutral atom, two neutral atoms, or to collect a plurality of neutral atoms trapped in the optical grating, magnetic trap, optical tweezers, or optical tweezers array. In particular, the fluorescence emission of the plurality of trapped ions or trapped neutral atoms is collected such that the fluorescence emitted by individual ions or individual neutral atoms can be detected and/or collected such that the fluorescence emitted by neighboring trapped ions or neighboring trapped neutral atoms can be distinguished.
Gemäß einem Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome weist das optische System ein Substrat mit einer nanostrukturierten Oberfläche auf. Insbesondere ist das Substrat dazu eingerichtet, das optische System mechanisch zu stabilisieren. Zum Beispiel weist das Substrat ein dielektrisches Material oder ein halbleitendes Material auf, welches für die Fluoreszenzemission der gefangenen Ionen oder neutralen Atome zumindest teilweise reflektierend und/oder zumindest teilweise undurchsichtig ist, oder das Substrat besteht aus einem solchen Material. Es ist auch möglich, dass das Substrat ein Metall aufweist oder daraus besteht. Die nanostrukturierte Oberfläche ist zum Beispiel eine Hauptoberfläche des Substrats. Insbesondere kann eine Nanostruktur direkt auf der Hauptoberfläche des Substrats gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Nanostruktur in oder auf einer dielektrischen Schicht gebildet werden, die auf der Hauptoberfläche des Substrats angeordnet ist.According to one aspect of the trap for ions or neutral atoms, the optical system comprises a substrate with a nanostructured surface. In particular, the substrate is configured to mechanically stabilize the optical system. For example, the substrate comprises a dielectric material or a semiconducting material that is at least partially reflective and/or at least partially opaque to the fluorescence emission of the trapped ions or neutral atoms, or the substrate consists of such a material. It is also possible for the substrate to comprise or consist of a metal. The nanostructured surface is, for example, a main surface of the substrate. In particular, a nanostructure can be formed directly on the main surface of the substrate. Alternatively or additionally, the nanostructure can be formed in or on a dielectric layer arranged on the main surface of the substrate.
Beispielsweise streut und/oder beugt die nanostrukturierte Oberfläche einfallende elektromagnetische Strahlung, insbesondere die von den gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atomen emittierte Fluoreszenz. Beispielsweise bewirkt die nanostrukturierte Oberfläche eine räumliche Modulation eines Brechungsindex für die einfallende Fluoreszenz entlang einer Vielzahl von Richtungen parallel zur nanostrukturierten Oberfläche. Beispielsweise modifiziert und/oder formt die nanostrukturierte Oberfläche eine Wellenfront der einfallenden Fluoreszenz in einer vorgegebenen Weise.For example, the nanostructured surface scatters and/or diffracts incident electromagnetic radiation, in particular the fluorescence emitted by the trapped ions or trapped neutral atoms. For example, the nanostructured surface causes a spatial modulation of a refractive index for the incident fluorescence along a plurality of directions parallel to the nanostructured surface. For example, the nanostructured surface modifies and/or shapes a wavefront of the incident fluorescence in a predetermined manner.
Die nanostrukturierte Oberfläche weist beispielsweise eine Vielzahl einzelner Nanostrukturelemente wie Nanolöcher und/oder Nanosäulen auf, die auf der Hauptoberfläche des Substrats gebildet sind. Die lineare Abmessung eines Nanostrukturelements entspricht beispielsweise höchstens einer Wellenlänge der von den gefangenen Ionen oder den gefangenen neutralen Atomen emittierten Fluoreszenz.The nanostructured surface, for example, comprises a multitude of individual nanostructure elements such as nanoholes and/or nanopillars formed on the main surface of the substrate. The linear dimension of a nanostructure element corresponds, for example, to at most one wavelength of the fluorescence emitted by the trapped ions or neutral atoms.
Gemäß einem Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist die nanostrukturierte Oberfläche dazu eingerichtet, die einfallende Fluoreszenzemission zu fokussieren und/oder umzulenken. Insbesondere ist die nanostrukturierte Oberfläche dazu eingerichtet, die Fluoreszenz einzelner gefangener Ionen oder gefangener neutraler Atome zu sammeln und sie auf einen Detektor umzulenken und/oder zu fokussieren. Beispielsweise hat die nanostrukturierte Oberfläche eine numerische Apertur von mindestens 0,1 und/oder höchstens 0,5.According to one aspect of the trap for ions or neutral atoms, the nanostructured surface is configured to focus and/or redirect the incident fluorescence emission. In particular, the nanostructured surface is configured to collect the fluorescence of individual trapped ions or trapped neutral atoms and redirect and/or focus it onto a detector. For example, the nanostructured surface has a numerical aperture of at least 0.1 and/or at most 0.5.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Falle für Ionen oder neutrale Atome auf:
- - das optische System zum Sammeln der Fluoreszenzemission von gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atomen, wobei
- - das optische System das Substrat mit der nanostrukturierten Oberfläche aufweist, und
- - die nanostrukturierte Oberfläche dazu eingerichtet ist, die einfallende Fluoreszenzemission zu fokussieren und/oder umzulenken.
- - the optical system for collecting the fluorescence emission of trapped ions or trapped neutral atoms, where
- - the optical system comprises the substrate with the nanostructured surface, and
- - the nanostructured surface is designed to focus and/or redirect the incident fluorescence emission.
Die hier beschriebene Falle für Ionen oder neutrale Atome basiert auf der Idee, eine Meta-Oberfläche, d.h. eine nanostrukturierte Oberfläche, zum Sammeln der Fluoreszenz von gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atomen zu verwenden. Insbesondere wechselwirkt die nanostrukturierte Oberfläche mit der einfallenden elektromagnetischen Strahlung und ermöglicht dadurch eine Manipulation der Richtung, der Phase und/oder der Amplitude der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. Zum Beispiel kann eine herkömmliche Detektionsoptik mit Linsen und/oder Spiegeln zum Auffangen der Fluoreszenz verwendet werden. Herkömmliche Detektionsoptiken sind jedoch meist sperrig. Darüber hinaus kann es schwierig und/oder zeitaufwändig sein, die sperrigen herkömmlichen Detektionsoptiken wiederholt zu refokussieren, um die Fluoreszenz von Ionen oder neutralen Atomen in einer langen Kette, d. h. einer eindimensionalen Anordnung einer Vielzahl von Ionen oder neutralen Atomen, zu erfassen, insbesondere wenn sich die Ionen oder Atome bewegen und/oder pendeln.The trap for ions or neutral atoms described here is based on the idea of using a metasurface, i.e., a nanostructured surface, to collect the fluorescence of trapped ions or neutral atoms. Specifically, the nanostructured surface interacts with the incident electromagnetic radiation, thereby allowing manipulation of the direction, phase, and/or amplitude of the incident electromagnetic radiation. For example, conventional detection optics with lenses and/or mirrors can be used to collect the fluorescence. However, conventional detection optics are usually bulky. Furthermore, it can be difficult and/or time-consuming to repeatedly refocus the bulky conventional detection optics to detect the fluorescence of ions or neutral atoms in a long chain, i.e., a one-dimensional arrangement of a large number of ions or neutral atoms, especially when the ions or atoms are moving and/or oscillating.
Wenn die Fluoreszenzemission im ultravioletten (UV) Bereich liegt, kann die Fluoreszenz darüber hinaus in der herkömmlichen Detektionsoptik zumindest teilweise absorbiert werden und/oder verloren gehen. Folglich kann die herkömmliche Detektionsoptik die Detektionseffizienz der Fluoreszenz, die beispielsweise von den gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atomen emittiert wird, erheblich verringern.Furthermore, if the fluorescence emission is in the ultraviolet (UV) range, the fluorescence can be at least partially absorbed and/or lost in conventional detection optics. Consequently, conventional detection optics can significantly reduce the detection efficiency of the fluorescence emitted, for example, by trapped ions or trapped neutral atoms.
Im Gegensatz dazu kann die Falle für Ionen oder neutrale Atome mit dem optischen System, das die hier beschriebene nanostrukturierte Oberfläche aufweist, im Vergleich zu herkömmlichen Detektionsoptiken kompakter sein. Dementsprechend kann das optische System der hier beschriebenen Falle für Ionen oder neutrale Atome einfacher auf einem Chip integriert und/oder auf einem Nano-Positionierer, wie zum Beispiel einem Piezoaktuator, montiert werden. Darüber hinaus kann die nanostrukturierte Oberfläche aus einem Material gebildet werden, das einen niedrigen optischen Absorptionskoeffizienten für die von den gefangenen Ionen oder neutralen Atomen emittierte Fluoreszenz aufweist, insbesondere wenn die Fluoreszenz im UV-Spektralbereich liegt. Dadurch werden die optischen Verluste im Vergleich zu herkömmlichen Detektionsoptiken vorteilhaft reduziert und die Detektionseffizienz erhöht.In contrast, the trap for ions or neutral atoms with the optical system featuring the nanostructured surface described here can be more compact compared to conventional detection optics. Accordingly, the optical system of the trap for ions or neutral atoms described here can be more easily mounted on a The nanostructured surface can be integrated into a chip and/or mounted on a nanopositioner, such as a piezo actuator. Furthermore, the nanostructured surface can be formed from a material that exhibits a low optical absorption coefficient for the fluorescence emitted by the trapped ions or neutral atoms, especially when the fluorescence is in the UV spectral range. This advantageously reduces optical losses compared to conventional detection optics and increases detection efficiency.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist das optische System dazu eingerichtet, einfallendes Licht, insbesondere Laserlicht, auf ein oder mehrere gefangene Ionen oder gefangene neutrale Atome zu fokussieren und/oder zu lenken. Das einfallende Licht wird beispielsweise von einer Lichtquelle emittiert und dazu verwendet, elektronische Zustände der gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atome zu manipulieren. Insbesondere ist die nanostrukturierte Oberfläche dazu eingerichtet, das einfallende Licht auf das eine oder mehrere gefangene Ionen oder gefangene neutrale Atome zu fokussieren und/oder zu lenken. Beispielsweise weist die nanostrukturierte Oberfläche eine superperiodische Struktur auf, die dazu eingerichtet ist, sowohl die einfallende Fluoreszenzemission der Ionen oder neutralen Atome als auch das einfallende Licht, das auf die Ionen oder neutralen Atome gerichtet ist, zu manipulieren.According to a further aspect of the trap for ions or neutral atoms, the optical system is configured to focus and/or direct incident light, in particular laser light, onto one or more trapped ions or trapped neutral atoms. The incident light is emitted, for example, from a light source and used to manipulate electronic states of the trapped ions or trapped neutral atoms. In particular, the nanostructured surface is configured to focus and/or direct the incident light onto the one or more trapped ions or trapped neutral atoms. For example, the nanostructured surface has a superperiodic structure configured to manipulate both the incident fluorescence emission of the ions or neutral atoms and the incident light directed onto the ions or neutral atoms.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome verleiht die nanostrukturierte Oberfläche der einfallenden Fluoreszenzemission eine räumlich abhängige Phase. Insbesondere weist die einfallende Fluoreszenz elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Amplitude und Phase auf. Indem beispielsweise der einfallenden Fluoreszenz eine räumlich abhängige Phase verliehen wird, kann die Wellenfront der Fluoreszenz in einer vorgegebenen Weise verändert oder eingestellt werden. Insbesondere kann die einfallende Fluoreszenz durch die Beaufschlagung der einfallenden Fluoreszenz mit einer räumlich abhängigen Phase fokussiert und/oder umgelenkt werden.According to a further aspect of the trap for ions or neutral atoms, the nanostructured surface imparts a spatially dependent phase to the incident fluorescence emission. In particular, the incident fluorescence exhibits electromagnetic waves with a specific amplitude and phase. For example, by imparting a spatially dependent phase to the incident fluorescence, the fluorescence wavefront can be modified or adjusted in a predetermined manner. In particular, the incident fluorescence can be focused and/or redirected by imparting a spatially dependent phase to the incident fluorescence.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist die nanostrukturierte Oberfläche als reflektierender Spiegel für die einfallende Fluoreszenzemission eingerichtet. Insbesondere reflektiert und fokussiert die nanostrukturierte Oberfläche die einfallende Fluoreszenz. Beispielsweise interferiert einfallende Fluoreszenz, die von verschiedenen Bereichen der nanostrukturierten Oberfläche gebrochen wird, derart dass die Fluoreszenz zumindest teilweise reflektiert und fokussiert wird. Beispielsweise beträgt der Reflexionsgrad des optischen Systems für die einfallende Fluoreszenz zumindest 90 % oder zumindest 99 % oder zumindest 99,9 %.According to a further aspect of the trap for ions or neutral atoms, the nanostructured surface is configured as a reflecting mirror for the incident fluorescence emission. In particular, the nanostructured surface reflects and focuses the incident fluorescence. For example, incident fluorescence refracted by different regions of the nanostructured surface interferes such that the fluorescence is at least partially reflected and focused. For example, the reflectance of the optical system for the incident fluorescence is at least 90%, or at least 99%, or at least 99.9%.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome liegt die Fluoreszenzemission im UV-Spektralbereich. Beispielsweise weist die Fluoreszenzemission elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 400 nm auf.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the fluorescence emission lies in the UV spectral range. For example, the fluorescence emission comprises electromagnetic radiation with a wavelength in the range between 300 nm and 400 nm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome weist die nanostrukturierte Oberfläche Niobpentoxid Nb2O5 und/oder Hafniumdioxid HfO2 auf oder besteht daraus. Beispielsweise weist das Substrat Nb2O5 und/oder HfO2 auf oder besteht daraus. Beispielsweise ist auf der Hauptoberfläche des Substrats eine dielektrische Schicht angeordnet, die Nb2O5 und/oder HfO2 aufweist oder daraus besteht, und die nanostrukturierte Oberfläche ist in der dielektrischen Schicht ausgebildet. Insbesondere weist die nanostrukturierte Oberfläche ein dielektrisches Material auf, das zumindest teilweise transparent ist und einen hohen Brechungsindex für die einfallende Fluoreszenzemission aufweist, oder besteht aus einem solchen Material. Es ist auch möglich, dass die nanostrukturierte Oberfläche beispielsweise Titandioxid oder Silizium aufweist oder daraus besteht, abhängig von der Wellenlänge der Fluoreszenzemission.According to a further aspect of the trap for ions or neutral atoms, the nanostructured surface comprises or consists of niobium pentoxide Nb 2 O 5 and/or hafnium dioxide HfO 2. For example, the substrate comprises or consists of Nb 2 O 5 and/or HfO 2. For example, a dielectric layer comprising or consisting of Nb 2 O 5 and/or HfO 2 is arranged on the main surface of the substrate, and the nanostructured surface is formed in the dielectric layer. In particular, the nanostructured surface comprises or consists of a dielectric material that is at least partially transparent and has a high refractive index for the incident fluorescence emission. It is also possible for the nanostructured surface to comprise or consist of, for example, titanium dioxide or silicon, depending on the wavelength of the fluorescence emission.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome weist die nanostrukturierte Oberfläche eine Vielzahl von Nanosäulen auf. Im Folgenden werden Merkmale einer einzelnen Nanosäule beschrieben. Zum Beispiel können zumindest eines oder alle dieser Merkmale für verschiedene Nanosäulen identisch sein. Zum Beispiel kann sich zumindest eines dieser Merkmale zwischen verschiedenen Nanosäulen unterscheiden.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the nanostructured surface comprises a plurality of nanopillars. The following describes features of an individual nanopillar. For example, at least one or all of these features may be identical for different nanopillars. For example, at least one of these features may differ between different nanopillars.
Die Nanosäule hat zum Beispiel eine zylindrische, konische oder pyramidenförmige Form. In Draufsicht auf die Hauptoberfläche des Substrats hat die Nanosäule zum Beispiel einen kreisförmigen, ovalen, elliptischen, dreieckigen, quadratischen, rechteckigen oder polygonalen Querschnitt.The nanopillar has, for example, a cylindrical, conical, or pyramidal shape. In plan view of the main surface of the substrate, the nanopillar has, for example, a circular, oval, elliptical, triangular, square, rectangular, or polygonal cross-section.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist eine Höhe und/oder ein Durchmesser jeder Nanosäule kleiner als oder gleich der Wellenlänge der Fluoreszenzemission. Insbesondere bezieht sich der Durchmesser der Nanosäule auf einen maximalen Durchmesser oder auf eine maximale lineare Abmessung des Querschnitts der Nanosäule in einer Ebene parallel zur Hauptoberfläche des Substrats. Insbesondere bezieht sich die Höhe der Nanosäule auf eine lineare Ausdehnung der Nanosäule in einer Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats. Es ist auch möglich, dass die Höhe einer Nanosäule größer ist als die Wellenlänge der Fluoreszenz. Beispielsweise liegt die Höhe der Nanosäule zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 1 µm.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, a height and/or a diameter of each nanocolumn is less than or equal to the wavelength of the fluorescence emission. In particular, the diameter of the nanocolumn refers to a maximum diameter or a maximum linear dimension of the cross-section of the nanocolumn in a plane parallel to the main surface of the substrate. In particular, the height of the nanocolumn refers to a linear extension of the nanocolumn in a direction perpendicular to the main surface of the substrate. It is also possible for the height of a nanocolumn to be greater. as the wavelength of fluorescence. For example, the height of the nanopillar is between 100 nm and 1 µm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist ein Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen benachbarten Nanosäulen kleiner oder gleich der Wellenlänge der Fluoreszenzemission. Hier und im Folgenden bezieht sich der Mitte-zu-Mitte-Abstand auf einen Abstand in einer Ebene parallel zur Hauptoberfläche des Substrats.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the center-to-center distance between neighboring nanopillars is less than or equal to the wavelength of the fluorescence emission. Here and in the following, the center-to-center distance refers to a distance in a plane parallel to the main surface of the substrate.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist die Vielzahl der Nanosäulen in Form eines Arrays angeordnet. Zum Beispiel sind die Nanosäulen an den Eckpunkten eines regelmäßigen zweidimensionalen Gitters angeordnet.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the plurality of nanopillars is arranged in the form of an array. For example, the nanopillars are arranged at the vertices of a regular two-dimensional lattice.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome weist das Array eine Vielzahl von Einheitszellen auf, die in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sind. Beispielsweise weist die nanostrukturierte Oberfläche eine Vielzahl von periodisch angeordneten Einheitszellen auf oder besteht aus diesen, wobei jede Einheitszelle eine oder mehrere Nanosäulen aufweist. Zum Beispiel ist jede Einheitszelle ringförmig und die Vielzahl der Einheitszellen ist konzentrisch angeordnet. Beispielsweise unterscheiden sich die verschiedenen Einheitszellen in Abhängigkeit von einem Radius, der vom Zentrum der nanostrukturierten Oberfläche entfernt ist. Zum Beispiel ist jede Einheitszelle radial symmetrisch, d. h. innerhalb jeder Einheitszelle sind die Positionen der Nanosäulen unabhängig vom Radius und/oder ändern sich nicht in Abhängigkeit vom Radius. According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the array comprises a plurality of unit cells arranged in a two-dimensional pattern. For example, the nanostructured surface comprises or consists of a plurality of periodically arranged unit cells, each unit cell comprising one or more nanopillars. For example, each unit cell is ring-shaped and the plurality of unit cells are arranged concentrically. For example, the different unit cells differ depending on a radius away from the center of the nanostructured surface. For example, each unit cell is radially symmetric, i.e., within each unit cell, the positions of the nanopillars are independent of the radius and/or do not change depending on the radius.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist eine Größe, eine Form und/oder eine Anordnung der Nanosäulen in verschiedenen Einheitszellen unterschiedlich. Beispielsweise fungiert jede Einheitszelle als optisches Beugungsgitter für die einfallende Fluoreszenz, die von den gefangenen Ionen oder neutralen Atomen emittiert wird.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the size, shape, and/or arrangement of the nanopillars varies in different unit cells. For example, each unit cell acts as an optical diffraction grating for the incident fluorescence emitted by the trapped ions or neutral atoms.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist die nanostrukturierte Oberfläche als außeraxialer fokussierender Spiegel für die einfallende Fluoreszenzemission eingerichtet. In anderen Worten werden parallel zueinander propagierende Lichtstrahlen, die auf die nanostrukturierte Oberfläche treffen, in einen gemeinsamen Brennpunkt reflektiert. Insbesondere bedeutet „außeraxial“, dass parallel zueinander propagierende Lichtstrahlen in einem anderen Winkel als senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats auf die nanostrukturierte Oberfläche auftreffen können und weiter zum Brennpunkt umgelenkt werden. Die nanostrukturierte Oberfläche ist beispielsweise als Parabolspiegel, als sphärischer Spiegel, als asphärischer Spiegel oder als konkaver Spiegel eingerichtet. Insbesondere kann die nanostrukturierte Oberfläche dazu eingerichtet sein, die einfallende Fluoreszenzemission unter einem bestimmten Winkel abzulenken.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the nanostructured surface is configured as an off-axis focusing mirror for the incident fluorescence emission. In other words, parallel propagating light rays that strike the nanostructured surface are reflected to a common focal point. In particular, "off-axis" means that parallel propagating light rays can strike the nanostructured surface at an angle other than perpendicular to the main surface of the substrate and are further deflected to the focal point. The nanostructured surface is configured, for example, as a parabolic mirror, a spherical mirror, an aspherical mirror, or a concave mirror. In particular, the nanostructured surface can be configured to deflect the incident fluorescence emission at a specific angle.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome weist das Substrat einen ersten Teil und zweiten Teil auf, der vom ersten Teil getrennt ist. Beispielsweise sind der erste Teil und der zweite Teil in einem Abstand zueinander angeordnet.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the substrate comprises a first part and a second part separated from the first part. For example, the first part and the second part are arranged at a distance from each other.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome lenkt die nanostrukturierte Oberfläche des ersten Teils die einfallende Fluoreszenzemission auf die nanostrukturierte Oberfläche des zweiten Teils um.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the nanostructured surface of the first part redirects the incident fluorescence emission to the nanostructured surface of the second part.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome leitet die nanostrukturierte Oberfläche des zweiten Teils die Fluoreszenzemission weiter zu einem Detektor um. Bei dem Detektor handelt es sich beispielsweise um einen Fototransistor oder eine Fotodiode, wie zum Beispiel eine Einzelphoton-Lawinen-Fotodiode (Englisch: single photon avalanche photo diode).According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the nanostructured surface of the second part redirects the fluorescence emission to a detector. The detector is, for example, a phototransistor or a photodiode, such as a single-photon avalanche photodiode.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome bilden der erste Teil und der zweite Teil ein Schwarzschild-Objektiv. Beispielsweise wirkt die nanostrukturierte Oberfläche des ersten Teils als konkaver Reflektor, während die nanostrukturierte Oberfläche des zweiten Teils als konvexer Reflektor wirkt. Insbesondere hat der zweite Teil des Substrats einen kleineren Durchmesser als der erste Teil des Substrats, und der zweite Teil ist zwischen dem ersten Teil und den gefangenen Ionen oder gefangenen neutralen Atomen angeordnet. Die nanostrukturierte Oberfläche des zweiten Teils des Substrats lenkt beispielsweise die einfallende Fluoreszenz über ein Loch in der Mitte des ersten Teils des Substrats auf den Detektor um.According to another aspect of the trap for ions or neutral atoms, the first part and the second part form a Schwarzschild objective. For example, the nanostructured surface of the first part acts as a concave reflector, while the nanostructured surface of the second part acts as a convex reflector. In particular, the second part of the substrate has a smaller diameter than the first part of the substrate, and the second part is arranged between the first part and the trapped ions or trapped neutral atoms. For example, the nanostructured surface of the second part of the substrate redirects the incident fluorescence to the detector via a hole in the center of the first part of the substrate.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die Falle für Ionen oder neutrale Atome ferner einen Nano-Positionierer auf, wobei das Substrat auf dem Nano-Positionierer angeordnet und/oder mechanisch befestigt ist. Beispielsweise wird das Substrat mit einem Klebstoff mechanisch auf dem Nano-Positionierer fixiert. Insbesondere weist der Nano-Positionierer einen Piezoaktuator auf oder besteht aus einem solchen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktuator kann die nanostrukturierte Oberfläche beispielsweise in eine Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats und/oder in eine Richtung parallel zur Hauptoberfläche des Substrats bewegt oder ausgelenkt werden. Die räumliche Auflösung des Nano-Positionierers beträgt beispielsweise zumindest 1 µm, zumindest 10 nm oder zumindest 1 nm. Der Nano-Positionierer hat beispielsweise eine räumliche Auflösung in einem Bereich zwischen einschließlich 1 µm und einschließlich 10 nm.According to a further aspect, the trap for ions or neutral atoms further comprises a nano-positioner, wherein the substrate is arranged on the nano-positioner and/or mechanically fixed. For example, the substrate is mechanically fixed to the nano-positioner with an adhesive. In particular, the nano-positioner comprises or consists of a piezo actuator. By applying an electrical voltage to the piezo actuator, the nanostructured surface can be moved or deflected, for example, in a direction perpendicular to the main surface of the substrate and/or in a direction parallel to the main surface of the substrate. The spatial resolution of the nano-positioner is, for example, at least 1 µm, at least 10 nm, or at least 1 nm. The nano-positioner has, for example, a spatial resolution in a range between 1 µm and 10 nm inclusive.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Falle für Ionen oder neutrale Atome ist das Substrat mit eine Mikrochip-Ionenfalle integriert. Die Mikrochip-Ionenfalle ist beispielsweise Teil eines Quantencomputers, der Quanteninformation mit gefangenen Ionen als Qubits verarbeitet. Die Mikrochip-Ionenfalle weist zum Beispiel einen Träger auf, auf dem elektrische Leiterbahnen angeordnet sind. Der Träger weist zum Beispiel ein dielektrisches Material oder ein halbleitendes Material wie Silizium auf oder besteht daraus. Durch Anlegen von elektrischen Spannungen an die Leiterbahnen können elektrische Felder erzeugt werden, um beispielsweise Ionen oberhalb einer Hauptoberfläche des Trägers einzufangen. Die Mikrochip-Ionenfalle ist insbesondere innerhalb der Vakuumkammer angeordnet.According to a further aspect of the trap for ions or neutral atoms, the substrate is integrated with a microchip ion trap. The microchip ion trap is, for example, part of a quantum computer that processes quantum information using trapped ions as qubits. The microchip ion trap comprises, for example, a carrier on which electrical conductor tracks are arranged. The carrier comprises, for example, a dielectric material or a semiconducting material such as silicon or consists thereof. By applying electrical voltages to the conductor tracks, electric fields can be generated, for example, to trap ions above a main surface of the carrier. The microchip ion trap is arranged, in particular, within the vacuum chamber.
Das Substrat des optischen Systems kann zum Beispiel auf dem Träger angeordnet oder am Träger der Mikrochip-Ionenfalle befestigt sein. Alternativ oder zusätzlich ist der Träger der Mikrochip-Ionenfalle das Substrat des optischen Systems. Mit anderen Worten ist die nanostrukturierte Oberfläche zur Fokussierung und/oder Umlenkung der Fluoreszenzemission der Ionen auf der Hauptoberfläche des Trägers der Mikrochip-Ionenfalle ausgebildet. Auf der Hauptoberfläche des Trägers ist zum Beispiel eine dielektrische Schicht angeordnet. Die dielektrische Schicht planarisiert und/oder bedeckt beispielsweise die Leiterbahnen auf dem Träger. Insbesondere wird die nanostrukturierte Oberfläche des optischen Systems in der dielektrischen Schicht gebildet, die auf der Hauptoberfläche des Trägers der Mikrochip-Ionenfalle aufgebracht ist.The substrate of the optical system can, for example, be arranged on the carrier or attached to the carrier of the microchip ion trap. Alternatively or additionally, the carrier of the microchip ion trap is the substrate of the optical system. In other words, the nanostructured surface for focusing and/or redirecting the fluorescence emission of the ions is formed on the main surface of the carrier of the microchip ion trap. A dielectric layer, for example, is arranged on the main surface of the carrier. The dielectric layer planarizes and/or covers, for example, the conductive traces on the carrier. In particular, the nanostructured surface of the optical system is formed in the dielectric layer applied to the main surface of the carrier of the microchip ion trap.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und weitere Ausgestaltungen der Falle für Ionen oder neutrale Atome können aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren ersichtlich werden.Further advantageous embodiments and further configurations of the trap for ions or neutral atoms can be seen from the exemplary embodiments described below in conjunction with the figures.
Die
Elemente, die identisch oder ähnlich sind oder die gleiche Wirkung haben, sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Proportionen der in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.Elements that are identical or similar, or have the same effect, are provided with the same reference numerals in the figures. The figures and the proportions of the elements depicted in the figures are not to be considered true to scale. Rather, individual elements, particularly layer thicknesses, may be exaggerated for clarity and/or clarity.
Das optische System 1 der Falle für Ionen oder neutrale Atome gemäß dem Ausführungsbeispiel in
Die nanostrukturierte Oberfläche 5 weist eine Vielzahl von Nanosäulen 6 auf, die aus einem dielektrischen Material mit einem hohen Brechungsindex für die von gefangenen Ionen 3 oder gefangenen neutralen Atomen 3 emittierte Fluoreszenz 2 bestehen. Das dielektrische Material besteht insbesondere aus Niobpentoxid oder Hafniumdioxid. Die Nanosäulen 6 werden zum Beispiel in einem lithografischen Verfahren aus einer dielektrischen Schicht gebildet, die auf dem Substrat 4 aufgebracht ist.The nanostructured surface 5 has a plurality of nanopillars 6 made of a dielectric material with a high refractive index for the fluorescence 2 emitted by trapped ions 3 or trapped neutral atoms 3. The dielectric material consists in particular of niobium pentoxide or hafnium dioxide. The nanopillars 6 are formed, for example, in a lithographic process from a dielectric layer applied to the substrate 4.
Die nanostrukturierte Oberfläche 5 beugt und/oder streut die einfallende Fluoreszenz 2 derart, dass die Fluoreszenz 2 auf einen Detektor 10 (nicht dargestellt) fokussiert und/oder umgelenkt wird. Die nanostrukturierte Oberfläche 5 ist insbesondere als außeraxialer Parabolspiegel eingerichtet, der die Fluoreszenzemission 2 einer Vielzahl von gefangenen Ionen 3 sammelt, die in einer Penning- oder Paul-Falle (nicht gezeigt) eine Ionenkette bilden. Die von den gefangenen Ionen 3 oder gefangenen neutralen Atomen 3 emittierte Fluoreszenz 2 liegt im UV-Spektralbereich. Durch die Verwendung einer nanostrukturierten Oberfläche 5, die Niobpentoxid oder Hafniumdioxid aufweist, kann eine Absorption der Fluoreszenzemission 2 durch das optische System 1 im Vergleich zu einem herkömmlichen optischen System, das beispielsweise Linsen und/oder Spiegel aufweist, vorteilhaft reduziert werden.The nanostructured surface 5 diffracts and/or scatters the incident fluorescence 2 such that the fluorescence 2 is focused and/or deflected onto a detector 10 (not shown). The nanostructured surface 5 is configured, in particular, as an off-axis parabolic mirror that collects the fluorescence emission 2 of a plurality of trapped ions 3 that form an ion chain in a Penning or Paul trap (not shown). The fluorescence 2 emitted by the trapped ions 3 or trapped neutral atoms 3 lies in the UV spectral range. By using a nanostructured surface 5 comprising niobium pentoxide or hafnium dioxide, absorption of the fluorescence emission 2 by the optical system 1 can be advantageously reduced compared to a conventional optical system comprising, for example, lenses and/or mirrors.
Die nanostrukturierte Oberfläche 5 weist ein zweidimensionales Array von periodisch angeordneten Einheitszellen 7 auf, wobei jede Einheitszelle eine Vielzahl von Nanosäulen 6 aufweist. Die Form, Größe und/oder Anordnung der Nanosäulen 6 unterscheidet sich zwischen den verschiedenen Einheitszellen 7. Jede Einheitszelle 7 wirkt wie ein Beugungsgitter für die einfallende Fluoreszenz 2. Die nanostrukturierte Oberfläche 5 verleiht somit der einfallenden Fluoreszenz 2 eine vorbestimmte, räumlich abhängige Phase. So erhält beispielsweise eine einfallende ebene Wellenfront bei Wechselwirkung mit der nanostrukturierten Oberfläche 5 eine derartige Phase, dass sie als kugelförmige Wellenfront reflektiert wird, obwohl das Substrat 4 flach oder im Wesentlichen flach ist.The nanostructured surface 5 comprises a two-dimensional array of periodically arranged unit cells 7, each unit cell comprising a plurality of nanopillars 6. The shape, size and/or arrangement of the nanopillars 6 differs between the different unit cells 7. Each unit cell 7 acts as a diffraction grating for the incident fluorescence 2. The nanostructured surface 5 thus imparts a predetermined, spatially dependent phase to the incident fluorescence 2. For example, an incident plane wavefront acquires a phase upon interaction with the nanostructured surface 5 has such a phase that it is reflected as a spherical wavefront, although the substrate 4 is flat or substantially flat.
Das optische System 1 der Falle für Ionen oder neutrale Atome gemäß dem Ausführungsbeispiel in
Insbesondere fokussiert und lenkt die nanostrukturierte Oberfläche 5 des ersten Teils 41 die einfallende Fluoreszenz 2, die von den gefangenen Ionen 3 oder den gefangenen neutralen Atomen 3 emittiert wird, auf die nanostrukturierte Oberfläche 5 des zweiten Teils 42 um. Die nanostrukturierte Oberfläche 5 des zweiten Teils 42 lenkt die Fluoreszenz 2 durch ein Loch im ersten Teil 41 des Substrats 4 zu einem Detektor 10 um. Der Detektor 10 weist eine Einzel-Photon-Lawinen-Fotodiode auf.In particular, the nanostructured surface 5 of the first part 41 focuses and redirects the incident fluorescence 2 emitted by the trapped ions 3 or the trapped neutral atoms 3 onto the nanostructured surface 5 of the second part 42. The nanostructured surface 5 of the second part 42 redirects the fluorescence 2 through a hole in the first part 41 of the substrate 4 to a detector 10. The detector 10 comprises a single-photon avalanche photodiode.
Der erste Teil 41 des Substrats 4 ist auf einem Nano-Positionierer 8 angeordnet. Der Nano-Positionierer 8 ist ein Piezoaktuator, der es ermöglicht, die Brennweite des Schwarzschild-Objektivs zu verändern, indem der Abstand zwischen dem ersten Teil 41 und dem zweiten Teil 42 des Substrats 4 während des Betriebs verändert wird. Aufgrund der Kompaktheit des optischen Systems 1 kann eine Refokussierung des Schwarzschild-Objektivs, um beispielsweise einer Bewegung der gefangenen Ionen 3 oder gefangenen neutralen Atome 3 zu folgen, besonders schnell durchgeführt werden.The first part 41 of the substrate 4 is arranged on a nano-positioner 8. The nano-positioner 8 is a piezo actuator that allows the focal length of the Schwarzschild lens to be varied by changing the distance between the first part 41 and the second part 42 of the substrate 4 during operation. Due to the compactness of the optical system 1, refocusing of the Schwarzschild lens, for example, to follow a movement of the trapped ions 3 or trapped neutral atoms 3, can be performed particularly quickly.
Das optische System 1 der Falle für Ionen oder neutrale Atome gemäß dem Ausführungsbeispiel in
Insbesondere die nanostrukturierte Oberfläche 5 des ersten Teils 41, d. h. der Mikrochip-Ionenfalle 9, lenkt die Fluoreszenz zum zweiten Teil 42 des Substrats 4 um. Die nanostrukturierte Oberfläche 5 des zweiten Teils 42 lenkt die Fluoreszenz 2 über Löcher in der Mikrochip-Ionenfalle 9 weiter zum Detektor 10 um. Der Detektor 10 ist auf einer von den gefangenen Ionen 3 abgewandten Seite des ersten Teils des Substrats 41 angeordnet. Darüber hinaus weist die Mikrochip-Ionenfalle 9 eine Vielzahl von identischen Segmenten auf, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Insbesondere weist jedes Segment eine separate Ionenfalle mit einer Anzahl von gefangenen Ionen 3 sowie ein entsprechendes optisches System 1 zum Auffangen ihrer Fluoreszenz 3 auf.In particular, the nanostructured surface 5 of the first part 41, i.e., the microchip ion trap 9, redirects the fluorescence to the second part 42 of the substrate 4. The nanostructured surface 5 of the second part 42 redirects the fluorescence 2 via holes in the microchip ion trap 9 further to the detector 10. The detector 10 is arranged on a side of the first part of the substrate 41 facing away from the trapped ions 3. Furthermore, the microchip ion trap 9 has a plurality of identical segments that can be operated independently of one another. In particular, each segment has a separate ion trap with a number of trapped ions 3 and a corresponding optical system 1 for collecting their fluorescence 3.
Die Höhe H, der Durchmesser D, der Mitte-zu-Mitte-Abstand A, die Form, der Querschnitt und/oder die Anordnung der Nanosäulen 6 sind in den verschiedenen Einheitszellen 7 unterschiedlich. Durch Anpassung der nanostrukturierten Oberfläche 5 in jeder Einheitszelle 7 kann der einfallenden Fluoreszenz 3 eine vorgegebene räumlich abhängige Phasenverschiebung verliehen werden. Dementsprechend kann die nanostrukturierte Oberfläche 5 dazu verwendet werden, die einfallende Fluoreszenz 2 zu fokussieren und/oder umzulenken.The height H, diameter D, center-to-center distance A, shape, cross-section, and/or arrangement of the nanopillars 6 vary in the different unit cells 7. By adjusting the nanostructured surface 5 in each unit cell 7, the incident fluorescence 3 can be imparted a predetermined spatially dependent phase shift. Accordingly, the nanostructured surface 5 can be used to focus and/or redirect the incident fluorescence 2.
Die Erfindung ist durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und auch jede Merkmalskombination, die insbesondere jede Merkmalskombination in den Patentansprüchen und jede Merkmalskombination in den Ausführungsbeispielen umfasst, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht ausdrücklich in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The description based on the exemplary embodiments does not limit the invention to the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every novel feature and also every combination of features, which in particular encompasses every combination of features in the patent claims and every combination of features in the exemplary embodiments, even if this feature or combination itself is not expressly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenReference symbol
- 11
- optisches Systemoptical system
- 22
- FluoreszenzemissionFluorescence emission
- 33
- gefangenes Ion / gefangenes neutrales Atomtrapped ion / trapped neutral atom
- 44
- SubstratSubstrat
- 4141
- erster Teilfirst part
- 4242
- zweiter Teilsecond part
- 55
- nanostrukturierte Oberflächenanostructured surface
- 66
- NanosäuleNanocolumn
- 77
- Einheitszelleunit cell
- 88
- Nano-PositioniererNano-positioner
- 99
- Microchip-IonenfalleMicrochip ion trap
- 1010
- Detektordetector
- HH
- HöheHeight
- DD
- Durchmesserdiameter
- AA
- AbstandDistance
Claims (13)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023132698.8A DE102023132698B4 (en) | 2023-11-23 | 2023-11-23 | Trap for ions or neutral atoms |
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| DE102023132698.8A DE102023132698B4 (en) | 2023-11-23 | 2023-11-23 | Trap for ions or neutral atoms |
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| Publication Number | Publication Date |
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| DE102023132698A1 DE102023132698A1 (en) | 2025-05-28 |
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ID=95655553
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|---|---|
| DE (1) | DE102023132698B4 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9057825B2 (en) * | 2010-10-08 | 2015-06-16 | Cornell University | Optical trapping apparatus, methods and applications using photonic crystal resonators |
| US10753877B1 (en) * | 2019-05-09 | 2020-08-25 | International Business Machines Corporation | Optical microcavities with integrated electrostatic confinement and brownian motors |
| US20230298880A1 (en) * | 2022-03-15 | 2023-09-21 | ColdQuanta, Inc. | Compact vacuum packaging technology usable with ion traps |
-
2023
- 2023-11-23 DE DE102023132698.8A patent/DE102023132698B4/en active Active
Patent Citations (3)
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| US20230298880A1 (en) * | 2022-03-15 | 2023-09-21 | ColdQuanta, Inc. | Compact vacuum packaging technology usable with ion traps |
Also Published As
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|---|---|
| DE102023132698A1 (en) | 2025-05-28 |
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