Presentación

Experimentos con trampas de iones

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El grupo de Trampas de Iones de la Universidad de Granada es el primer grupo experimental del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la UGR. 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 enero de 2011 comenzó su primer proyecto del Plan Nacional de I+D+i en el que también participaba Antonio M. Lallena. En noviembre de 2011 comenzó un proyecto del Consejo Europeo de Investigación. Son muchos los estudiantes de distintos niveles académicos, la mayoría egresados de la Universidad de Granada, que han participado en esta actividad. El grupo de Trampas de Iones está dentro del Grupo PAIDI FQM387: Física Fundamental y Aplicaciones.

El Laboratorio de Trampas de Iones y Láseres de la Universidad de Granada es el único laboratorio en España de esta naturaleza. Comenzó a construirse en marzo de 2012 en el marco del proyecto TRAPSENSOR del Consejo Europeo de Investigación. Además, Daniel Rodríguez ha conseguido financiación de proyectos del plan nacional de I+D+i del MICIU, de la Junta de Andalucía y proyectos de infraestructuras, cofinanciados con fondos FEDER y por la UGR. La financiación total adquirida está en torno a los 4,8 millones de euros, a los que hay que sumar un gran número de contratos de personal de distintos programas. Actualmente se llevan a cabo tres tipos de experimentos: 1) Quantum Mass Spectrometry en una trampa Penning de 7 tesla, 2) detección resonante de iones atrapados con amplificadores de cuarzo (en la misma trampa Penning), y 3) experimentos básicos de naturaleza cuántica.

El Laboratorio de Trampas de Iones y Láseres de la UGR fue nombrado Laboratorio Singular en Tecnologías Avanzadas de la UGR en marzo de 2017, durante los últimos meses del proyecto del Consejo Europeo de Investigación TRAPSENSOR: High-performance Mass Spectrometry Using a Quantum Sensor. En ese momento la financiación total obtenida era ligeramente superior a tres millones de euros. Este laboratorio ha sido pionero en el desarrollo de técnicas de óptica cuántica aplicadas a medidas de masas en física nuclear Applied Physics B: Lasers and Optics 107, 1031–1042 (2012), con una motivación original que era poder mejorar la precisión en medidas con trampas Penning de masas con aplicaciones en espectrometría de masas del alta precisión y de alta sensibilidad, particularmente en elementos súper-pesados producidos en reacciones de fusión-evaporación a los que es difícil acceder debido a las bajas tasas de producción Nature, 463, 785-788 (2010), Science 337, 1207-1210 (2012). El hecho de utilizar técnicas de óptica cuántica y de realizar experimentos de física nuclear, confiere al grupo un carácter multidisciplinar.

Entre los colaboradores activos del laboratorio están la división de iones superpesados del GSI de Darmstadt en Alemania (instalación SHIPTRAP) y el Real Observatorio de la Armada en San Fernando, donde se está construyendo un reloj óptico basado en átomos de estroncio. Colabora con grupos teóricos españoles, como el grupo QUINFOG del Instituto de Física Fundamental del CSIC y el grupo de tecnologías Cuánticas de la Universidad Politécnica de Cartagena.

Además de la singularidad por la investigación, el laboratorio tiene un importante componente formativo en dos másteres oficiales, el Máster en Física de la Universidad de Granada y el Máster Interuniversitario en Tecnologías Cuánticas.

Actualmente hay dos plataformas en funcionamiento: Una línea de trampas Penning y una trampa de Paul lineal. La línea de investigación más relevante es Quantum Mass Spectrometry Europhysics Letters-Perspective 134, 38001 (2021) con torio, dado que este elemento tiene un isótopo propuesto como reloj nuclear. En septiembre de 2018 se observó en el laboratorio la primera prueba de enfriamiento Doppler de iones de 40Ca+ en la trampa Penning de 7 T New Journal of Physics 21, 023023 (2019). En 2021, se generaron los primeros cristales de Coulomb de iones 40Ca+-40Ca+ Penning trap Physical Review A 105, 052603 (2022) . En octubre de 2022 se llevaron a cabo las primeras medidas más relevantes de utilizar el ion de 40Ca+ como sensor [Physical Review Research 6, L012001 (2024)]. En noviembre de 2022, se pudieron observar y sondear los cristales 42Ca+-40Ca+ Physical Review A 110, 063107 (2024) y de 232Th+ - 40Ca+ y 232ThO2+ - 40Ca+ (esto último sin publicar a la espera de completar unas medidas). Se encontró la necesidad de optimizar y caracterizar el proceso de enfriamiento simpatético hasta el límite Doppler y hasta el estado fundamental, este último para comenzar a realizar medidas de naturaleza cuántica cuyos resultados mejoren los obtenidos con otros métodos. Llegar al régimen cuántico permitirá conseguir la más alta sensibilidad y universalidad de la técnica, esto es, que sea aplicable a cualquier ion independientemente de su masa, algo que no es posible en trampas de radiofrecuencia ni en trampas Penning utilizando otras técnicas.

En diciembre de 2022 comienza una remodelación importante del laboratorio con el cambio del imán superconductor (que probee el campo magnético de 7 T para la trampa Penning), por uno libre de helio y nitrógeno líquido. Esto conlleva obras y equipos adicionales, llegando en julio de 2024 a las condiciones del experimento antes de la remodelación y a la reanudación de los experimentos con cristales de 232Th+ - 40Ca+. Con el fin de llevar a cabo experimentos de naturaleza cuántica, entre 2021 y 2023, se ponen a punto dos láseres acoplados a cavidades de alta fineza, para conseguir un ancho de línea estrecho para la transición S1/2D5/2 llamada de reloj o qubit en 40Ca+ (ion sensor), enfriar hasta el estado cero de energía dicho ion y realizar experimentos de naturaleza cuántica.

Otra línea de investigación del laboratorio es la detección no destructiva de iones atrapados utilizando resonadores de cuarzo, que ha implicado desarrollos de amplificadores para la detección no destructiva de iones atrapados en España, con una empresa spin-off de la UGR, mejorados en 2018 durante una estancia de Daniel Rodríguez como profesor visitante en JGU Mainz. El fundamento de la técnica, conocida como Fourier-Transform Ion-Cyclotron-Resonance Mass-Spectrometry (FT-ICR MS), tiene su origen en química, donde no se requiere ultra-alta precisión. En estos casos se trata de determinar las masas de iones moleculares que aparecen al analizar muestras de interés, por ejemplo, en biofarmacia, o en la química del petróleo. En noviembre de 2018, el grupo del Laboratorio observó la primera señal de iones atrapados en la trampa Penning de 7 tesla de la UGR Review of Scientific Instruments 90, 063202 (2019), utilizando por primera vez un resonador de cuarzo en lugar de una bobina helicoidal superconductora. En 2021 se publicó el primer acoplamiento entre un resonador de cuarzo e iones atrapados Quantum Science and Technology 6, 044002 (2021). En 2023, partiendo de estas medidas, el grupo, en colaboración con un grupo teórico, publicó la interacción entre los iones atrapados y el resonador de cuarzo describiéndola con un modelo de osciladores cuánticos acoplados Physical Review A 107, 053116 (2023) .

La Trampa de Paul lineal se construyó inicialmente como banco de pruebas de la trampa Penning de 7 tesla en el marco de trabajos de fin de máster y para comenzar a llevar a cabo experimentos sencillos de naturaleza cuántica. Actualmente se puede visualizar cristales de iones enfriados hasta el límite Doppler y se han realizado medidas de identificación utilizando la señal de fotones del ion sensor Physical Review Research 6, 043255 (2024). Se han llevado a cabo experimentos de naturaleza cuántica para medir frecuencias propias de modos de cristales de Coulomb híbridos de dos iones, cuya publicación se está preparando.