Presentación

Experimentos con trampas de iones

El grupo de Trampas de Iones de la Universidad de Granada es el primer grupo experimental del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear. En 2009 Daniel Rodríguez llegó a la Universidad de Granada y se incorporó al proyecto que dirigía Antonio M. Lallena. Ese año obtuvo un contrato Ramón y Cajal y en 2010 por primera vez obtuvo un proyecto del Plan Nacional en el que también participaba Antonio M. Lallena. El proyecto comenzó en enero de 2011. Ese mismo año obtuvo un proyecto del Consejo Europeo de Investigación. En los últimos años son muchos los estudiantes de distintos niveles académicos, la mayoría egresados de la Universidad de Granada, que han participado en esta actividad.

El laboratorio de trampas de iones y láseres de la Universidad de Granada es el único laboratorio en España de esta naturaleza, debido a lo cual ha sido nombrado Laboratorio Singular de la UGR. El laboratorio empezó a construirse en marzo de 2012 en el marco del proyecto TRAPSENSOR del Consejo Europeo de Investigación, y se ha podido completar con financiación obtenida del plan Nacional de I+D+i, proyectos de infraestructuras cofinanciados con fondos FEDER del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España, de la Junta de Andalucía y la Universidad de Granada.

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Figura 1: Parte superior: Esquema que representa un ion oscilando en la dirección paralela al campo magnético en una trampa Penning. La corriente inducida se hace pasar por un circuito resonante y se amplifica. Parte inferior: esquema propuesto para sustituir detección electrónica por la detección de fotones de fluorescencia de ion de 40Ca+ que es enfriado hasta el límite Doppler (Click en la imagen para ampliar).

El objetivo más destacado del grupo consiste en construir un sistema para comunicar dos iones almacenados en trampas distintas con un electrodo común a través del cual pueden interaccionar a partir de la carga que inducen en dicho electrodo. Esta idea fue propuesta en 1990 por D.J. Heinzen and D.J. Wineland pero no se ha realizado hasta la fecha. Con dicho sistema se sustituiría la detección electrónica (parte superior Fig. 1) por detección utilizando fotones (parte inferior Fig. 2) y de esta forma, se mejorará la sensibilidad para poder llevar a cabo espectrometría de masas de elementos superpesados que se producen en reacciones de fusión–evaporación, o mejorar la precisión en la medida de determinados núcleos de interés en experimentos que tienen como objetivo medir la masa del neutrino electrónico (link).

La Figura 2 muestra un ion enfriado con láser en la Universidad de Granada y un dibujo 3D de la trampa utilizada para dicho experimento, cuyo montaje experimental viene descrito en un artículo publicado en la revista Review of Scientific Instruments (link a la publicación).

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Figura 2: Izquierda: Imagen de un ion de calcio enfriado en una trampa de radiofrecuencia en la Universidad de Granada. Derecha: Imagen tridimensional de la trampa con líneas de láseres, átomos y emisión de fluorescencia en un ángulo sólido determinado (Click en la imagen para ampliar).

Las medidas de caracterización del ion enfriado como sensor óptico se han llevado a cabo con éxito en dicha trampa y los resultados han sido publicados en la revista Scientific Reports (link a la publicación), perteneciente al grupo editorial Nature. Asimismo, se han llevado a cabo medidas de caracterización con dos iones de calcio enfriados por láser en la misma trampa con el objetivo de extender el método de detección de fluorescencia en trampas Penning. Los resultados se han publicado recientemente en un volumen especial de la revista Journal of Modern Optics (link a la publicación). La Figura 3 muestra el concepto del método de detección, donde se adquieren imágenes de fluorescencia y se estudia la respuesta de su distribución axial ante una excitación dipolar.

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Figura 3: Izquierda: Imágenes de fluorescencia de uno y dos iones de calcio enfriados por láser en la trampa de radiofrecuencia. La separación axial entre iones es de aproximadamente 30 micras. Derecha: Distribuciones axiales de las imágenes de fluorescencia para el caso de un ion (curva azul) y de dos iones de calcio (curvas en rojo). Click en la imagen para ampliar.

Referencias:

  • Francisco Domínguez, Íñigo Arrazola, Jaime Doménech, Julen S. Pedernales, Lucas Lamata, Enrique Solano and Daniel Rodríguez. “A Single-Ion Reservoir as a High-Sensitive Sensor of Electric Signals”
    Scientific Reports 7, 8336 (2017).
  • F. Domínguez, M. J. Gutiérrez, I. Arrazola, J. Berrocal, J. M. Cornejo, J. J. Del Pozo, R. A. Rica, S. Schmidt, E. Solano and D. Rodríguez. “Motional studies of one and two laser-cooled trapped ions for electric-field sensing applications”
    Journal of Modern Optics 65, 613-621 (2018).