XXXVI Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física

El laboratorio TRAPSENSOR: Un laboratorio singular de la Universidad de Granada

19 jul. 2017 15:00

25m

Aula Física Química (Facultad de Química (USC))

Nuclear Physics Nuclear Physics III

Descripción

A finales del 2011, empecé en la Universidad de Granada junto a dos estudiantes egresados de dicha universidad, un proyecto del Consejo Europeo de Investigación (ERC-StG-2011) con el título “High-Performance Mass Spectrometry Using a Quantum Sensor” en el que proponía una idea para implementar un método novedoso para la detección de la corriente que puede inducir en los electrodos de una trampa electromagnética, un único ion que se encuentra confinado en dicha trampa. El objetivo inicial era mejorar las prestaciones en lo que se refiere a sensibilidad y precisión, en espectrometría de masas de alta precisión, para aplicarla sobre elementos súper-pesados (Z>104), producidos en reacciones de fusión-evaporación, con tasas de producción muy bajas, y/o para aplicar el método sobre algunos isótopos específicos (187Re, 187Os) para contribuir, junto a otros experimentos de desintegración beta, a medir la masa del (anti)neutrino electrónico [1]. La técnica propuesta podría sustituir otra bien establecida (aunque no trivial), que amplifica la corriente inducida por medio de circuitos resonantes con la frecuencia de movimiento del ion [2], y que ha dado lugar a resultados de gran relevancia científica [3,4]. No obstante, dicho método no se ha demostrado con iones que tienen relaciones masa-carga elevada, debido a limitaciones técnicas que reducen el cociente señal-ruido. La técnica propuesta se basa en una idea original de D.J. Heinzen y D.J. Wineland [5], publicada en 1990 y no materializada hasta la fecha. Dos iones confinados cada uno de ellos en una trampa electromagnética, interaccionarán a través de las corrientes que inducen si sus electrodos están comunicados por medio de un hilo conductor (o superconductor). Para ello, los iones deben oscilar con frecuencias en torno a 100-300 kHz, iguales en un nivel por debajo del hertzio, cuando además dicho control depende de fuentes de alimentación de voltaje continuas, que pueden llegar a estabilidades de 10-7. Asumiendo que existe acoplamiento, podríamos conocer la masa-carga de cualquier ion Xa+ (o Xa-), que moviéndose con una energía del orden de 10-3 eV, generará una fuerza oscilante sobre el otro ion (40Ca+) que previamente ha sido enfriado con láseres hasta la temperatura de ~1 mK. Una ventaja significativa que se espera obtener de utilizar esta técnica es que debido a que la amplitud de oscilación del ion 40Ca+ enfriado es inferior a la temperatura de un ion enfriado de forma resonante con un circuito a 4 K, se logra una mejora evidente en sensibilidad si cualquier perturbación por pequeña que fuese es visible y con ello, una mejora en exactitud hasta alcanzar el límite cuántico. Pero el efecto de “conexión” entre dos iones no se ha demostrado hasta la fecha, cuando los iones están en trampas distintas. Para conseguir la conexión entre iones hay que reducir las dimensiones de las trampas a utilizar, respecto al tamaño de las utilizadas en física nuclear, y emplear técnicas de micro-mecanizado. Además existe un aumento de energía no despreciable (en torno a 0.2 μeV/s medido en una trampa específica en Granada) cuando los láseres no actúan (momento de interacción entre los iones), que se debe reducir, y por lo que el sistema debe funcionar a 4 K. El grupo de D.J. Wineland en NIST (Boulder) publicó en 2011 la conexión entre iones en la misma trampa de radiofrecuencia pero separados por un pozo de potencial [6] y el grupo de H. Häffner en Berkeley [7] está trabajando en ello, también con trampas de radiofrecuencia, para conseguir lo que sería un hito en el marco de la electrónica cuántica. En Granada, el hecho de utilizar trampas Penning para su uso en espectrometría de masas con elemento súper-pesados [8], conllevará a un menor calentamiento del ion, pero el campo magnético de 7 tesla origina un mayor número de transiciones en el proceso de enfriamiento. Para enfriar el ion de 40Ca+ en ausencia de campo magnético, sólo son necesarios dos láseres: uno de longitud de onda de 397 nm, para acceder a la transición dipolar eléctrica 4s2S1/2→4s2P1/2, y otro con longitud de onda de 866 nm, para bombear del estado 3d2D3/2, al que decae en el proceso de enfriamiento con una probabilidad del 7%, y continuar en el ciclo de enfriamiento. El confinamiento en 7 Tesla, origina un desdoblamiento de niveles por efecto Zeeman en primer y segundo orden, además de mezcla de estados en la estructura fina, que hacen necesarios 12 láseres para el proceso de enfriamiento. Para superar estos obstáculos y poder llegar al objetivo final ha sido necesario montar tres experimentos con trampas y uno de criogenia. En esta contribución hablaré de cómo hemos ido construyendo este laboratorio de trampas de iones, el único en España de esta naturaleza, con una financiación total de 3 millones de euros. Mostraré las distintas trampas y sistemas de láseres, cómo solventamos los aspectos técnicos más relevantes expuestos con anterioridad, y los resultados obtenidos [9-14] y sus implicaciones en física nuclear, en relación a experimentos en el GSI de Darmstadt y a la futura instalación MATS en FAIR, así como en el marco de las tecnologías cuánticas. Concluiré mostrando las previsiones para alcanzar el objetivo final de conexión entre iones. Agradecimientos Este laboratorio ha sido financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC StG 278648-TRAPSENSOR) junto con los proyectos MINECO/FEDER FPA2012-32076, FPA2015-67694-P, UNGR10-1E-501 y UNGR13-1E-1830, y Junta de Andalucía/FEDER IE_57131. También quiero agradecer al MINECO, a la Junta de Andalucía, a la Universidad de Granada y al Centro Nacional de Partículas Astropartículas y Nuclear por la financiación recibida a través de los programas de empleo juvenil, intensificación de la investigación y apoyo técnico. Quiero agradecer de manera especial a los estudiantes-compañeros que han pasado por este proyecto y que han dejado su huella en los sistemas construidos/estudiados, en particular a Juanma, Pablo, Carlos, Ernesto, Martín y Jaime, así como a los compañeros-estudiantes y doctores que trabajan en la actualidad: Fran, Manuel Jesús, Raúl, Jesús, Stefan y Joaquín. Finalmente agradecer a los colaboradores del GSI-Darmstadt, la Universidad de Mainz, la Universidad de Hannover y la Universidad del País Vasco. Referencias [1] D. Rodríguez, Appl. Phys. B. 107 (2012) 1031 [2] R. S. Van Dyck Jr. et al., Int. J. Mass Spectrom. 251 (2006) 231 [3] S. Ulmer et al., Nature 524 (2015) 196 [4] S. Sturm et al., Nature 506 (2014) 467 [5] D. J. Heinzen, D. J. Wineland, Phys. Rev. A. 42 (1990) 2977 [6] K.R. Brown et al. Nature 471, (2011) 191 [7] N. Daniilidis et al., J. Phys. B 42 (2009) 144012 [8] M. Block et al., Nature 463 (2010) 785 [9] J. M. Cornejo et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, 317 (2013) 522 [10] J. M. Cornejo et al., Rev. Sci. Instrum. 86 (2015) 103104 [11] J.M. Cornejo, D. Rodríguez, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, 376 (2016) 288 [12] J. M. Cornejo et al., Int. J. Mass Spectrom. 410C (2016) 22. [13] F. Domínguez et al., artículo bajo revisión. [14] F. Domínguez et al., contribución a este congreso.