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Photoionisation detection of single 87Rb-atoms using channel electron multipliers [Elektronische Ressource] / Florian Henkel. Betreuer: Harald Weinfurter

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Photoionisation detection of single87Rb-atoms using channel electronmultipliersFlorian Alexander HenkelMunchen 2011Photoionisation detection of single87Rb-atoms using channel electronmultipliersFlorian Alexander HenkelDissertationan der Fakultat fur Physik der Ludwig{Maximilians{UniversitatMunchenvorgelegt vonFlorian Alexander Henkelaus MunchenMunchen, den 02.09.2011Erstgutachter: Prof. Dr. Harald WeinfurterZweitgutachter: Dr. Jorg SchreiberTag der mundlichen Prufung: 08.11.2011AbstractFast and e cient detection of single atoms is a universal requirement concerning modernexperiments in atom physics, quantum optics, and precision spectroscopy. In particular forfuture quantum information and quantum communication technologies, the e cient readoutof qubit states encoded in single atoms or ions is an elementary prerequisite. The rapiddevelopment in the eld of quantum optics and atom optics in the recent years has enabled toprepare individual atoms as quantum memories or arrays of single atoms as qubit registers.With such systems, the implementation of quantum computation or quantum communicationprotocols seems feasible.This thesis describes a novel detection scheme which enables fast and e cient state analysisof single neutral atoms.

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Published 01 January 2011
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Language English
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Photoionisation detection of single
87Rb-atoms using channel electron
multipliers
Florian Alexander Henkel
Munchen 2011Photoionisation detection of single
87Rb-atoms using channel electron
multipliers
Florian Alexander Henkel
Dissertation
an der Fakultat fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universitat
Munchen
vorgelegt von
Florian Alexander Henkel
aus Munchen
Munchen, den 02.09.2011Erstgutachter: Prof. Dr. Harald Weinfurter
Zweitgutachter: Dr. Jorg Schreiber
Tag der mundlichen Prufung: 08.11.2011Abstract
Fast and e cient detection of single atoms is a universal requirement concerning modern
experiments in atom physics, quantum optics, and precision spectroscopy. In particular for
future quantum information and quantum communication technologies, the e cient readout
of qubit states encoded in single atoms or ions is an elementary prerequisite. The rapid
development in the eld of quantum optics and atom optics in the recent years has enabled to
prepare individual atoms as quantum memories or arrays of single atoms as qubit registers.
With such systems, the implementation of quantum computation or quantum communication
protocols seems feasible.
This thesis describes a novel detection scheme which enables fast and e cient state analysis
of single neutral atoms. The detection scheme is based on photoionisation and consists of two
parts: the hyperne-state selective photoionisation of single atoms and the registration of the
generated photoion-electron pairs via two channel electron multipliers (CEMs). In this work,
both parts were investigated in two separate experiments. For the rst step, a photoionisation
probability of p = 0.991 within an ionisation time of t = 386 ns is achieved for a singleion ion
87Rb-atom in an optical dipole trap. For the second part, a compact detection system for the
ionisation fragments was developed consisting of two opposing CEM detectors. Measurements
show that single neutral atoms can be detected via their ionisation fragments with a detection
e ciency of η = 0.991 within a detection time of t = 415.5 ns. In a future combinedatom det
87setup, this will allow the state-selective readout of optically trapped, single neutral Rb-
atoms via photoionisation detection with an estimated detection e ciency η = 0.982 and a
detection time of t = 802 ns.tot
87Although initially developed for single Rb-atoms, the concept of photoionisation detection
is in principle generally applicable to any atomic or molecular species. As e cient readout
unit for single atoms or even ions, it might represent a considerable alternative to conventional
detection methods due to the high optical access and the large sensitive volume of the CEM
detection system. Additionally, its spatial selectivity makes it particularly suited for the
readout of single atomic qubit sites in arrays of neutral atoms as required in future applications
such as the quantum-repeater or quantum computation with neutral atoms.
The obtained high detection e ciency η and fast detection time t of the new detectiontot
method ful ll the demanding detector requirements for a future loophole-free test of Bell’s
inequality under strict Einstein locality conditions using two optically trapped, entangled
87Rb-atoms at remote locations. In such a con guration, the locality and the detection
loophole can be simultaneously closed in one experiment.Zusammenfassung
Ein schneller und e zienter Nachweis von Einzelatomen ist eine universelle Vorraussetzung f ur
aktuelle Experimente in den Gebieten der Atomphysik, der Quantenoptik und der Prazisions-
Spektroskopie. Die e zente Auslese von einzelnen Qubit-Zust anden, die in Einzelatomen oder
-ionen kodiert sind, ist daruber hinaus eine Grundbedingung fur zukunftige Technologien in
Rahmen der Quanteninformation oder der Quantenkommunikation. In den letzten Jahren
ermogl icht die rapide fortschreitende, technische Entwicklung im Bereich der Quanten- und
Atomoptik, individuelle Atome als Quantenspeicher zu praparieren, beziehungsweise ganze
Anordnungen von Einzelatomen als Quantenregister zusammenzufassen. Mit diesen Syste-
men scheint eine experimentelle Umsetzung von neuartigen Anwendungen in der Quantenin-
formationsverarbeitung und der Quantenkommunikation moglich.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Nachweisschema beschrieben, das ein schnelles
und e zientes Auslesen von internen Zust anden einzelner Atome ermoglicht. Das vorges-
tellte Nachweisschema basiert auf Photoionisation und besteht aus zwei Teilen: der selekti-
ven Photoionisation von Einzelatomen abhangig vom Hyperfein-Zustand und der Detektion
der erzeugten Photoelektron-Ionen Paare mittels zweier Sekundar elektronen-Vervielfacher
(Channeltrons). In dieser Arbeit wurden beide Teile des Nachweisschemas in zwei getrenn-
87ten, experimentellen Aufbauten untersucht. Fur den ersten Schritt wurden einzelne Rb-
Atome in einem optischen Einzelatomfallen-Aufbau zustandsselektiv ionisiert. Innerhalb von
t = 386 ns wurde eine Photoionisationswahrscheinlichkeit von p = 0.991 erreicht. Furion ion
den zweiten Teil wurde ein eigenstandiger, kompakter Detektor fur den Nachweis der Ionisa-
tionsfragmente entwickelt, der aus zwei entgegengesetzt angeordneten Channeltrons besteht.
Messungen bestatigen, dass einzelne Neutralatome mittels ihrer Photoionisations-Fragmente
mit einer Detektionse zienz von η = 0.991 innerhalb von t = 415.5 ns nachgewiesenatom det
werden konnen. In einer zukunftigen, kombinierten Anordnung dieser beiden Systeme kon-
87nten demnach optisch gefangene Rb-Atome uber Photoionisation zustandsselektiv mit einer
vorraussichtlichen Detektionse zienz von η = 0.982 in einer Gesamtzeit von t = 802 nstot
nachgewiesen werden.
87Obwohl der Photoionisations-Nachweis urspruglich fur einzelne Rb-Atome entwickelt wur-
de, eignet er sich fur beliebige Isotope oder Molekule. Als e zienten Ausleseeinheit f ur
einzelne Atome oder Ionen konnte sich der neuartige Nachweis durch den hohen optischen
Zugang und das gro e, r aumliche Detektionsvolumen des Channeltron-Detektors als eine
mogliche Alternative zu bestehenden Nachweis-Methoden erweisen. Seine raumliche Selektiv-
itat macht ihn zusatzlich besonders geeignet fur die Auslese von einzelnen, atomaren Qubits
in Anordnungen mit Neutralatomen. Er konnte daher speziell in zukunftigen Anwendun-
gen wie dem ’Quanten-Repeater’ oder einem Quantencomputer basierend auf Neutralatomen
verwendet werden.
Die hohe Detektionse zienz η und die schnelle Detektionszeit t der neuen Nachweis-tot
methode erfullen die anspruchsvollen Vorraussetzungen an einen Detektor, um ihn innerhalb
eines schlupochfreien Tests einer Bell-Ungleichung mit zwei optisch gefangenen, miteinan-
87der verschran kten und raumartig getrennten Rb-Atomen zu verwenden. Mit einem solchen
Aufbau kann das Lokalitats-Schlup och und das Nachweis-Schlup och gleichzeitig in einem
Experiment geschlossen werden.Contents
1. Introduction 1
2. Channel Electron Multiplier as Charged Particle Detectors 5
2.1. Theory of operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1. CEM detector operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2. Generalised cascaded dynode model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2. Detector quantum yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1. Finite discriminator level and detector quantum yield . . . . . . . . . . 12
2.3. General design and operation criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1. Compound loss probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2. Conversion dynodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3. Obtaining a high quantum yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4. Absolute detection e ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1. Collection e ciency and detector quantum yield . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.2. Kinetic impact energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.3. Angle of incidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5. Detector e ciency performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.1. Theoretical CEM e ciency response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3. Basic Operation of Channel Electron Multiplier Detectors 31
3.1. Basic CEM operation parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.1. Theoretical CEM gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2. Experimental CEM gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.3. Optimum operating point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2. Associated CEM operation parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1. Transit time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2. Maximum count rate and resolution of two consecutive pulses . . . . . . 41
3.2.3. Detector dark current and background counts . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3. Single CEM detector performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1. Experimental data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2. Single pulse parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.3. Pulse height distribution histogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.4. Experimental modal CEM gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.5. Characteristic knee curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4. Particle counting and CEM operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.1. Single pulse counting and trigger level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2. Background cable noise and spurious counts . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.3. Signal cable ringing and impedance matching . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.4. Maximum count rate and resolution of two consecutive pulses . . . . . . 56
3.4.5. Pulse height distribution and detector quantum yield . . . . . . . . . . . 57
viiContents
4. Joint Channel Electron Multiplier Detector 59
4.1. Concept of photoionisation detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1. Alternative charged particle detection systems . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2. Joint CEM detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.1. Channel electron multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.2. Vacuum system setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.3. Glass cell setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.4. Joint CEM detection system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3. Charged particle optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.1. Numerical simulation of the electric