Name: experimental methods for trapping ions using microfabricated surface ion traps
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
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Diese Forschung wurde durch das Ministerium für Wissenschaft, IKT, teilweise unterstützt und Zukunft planen (MSIP), Korea, unter Information Technology Research Center (ITRC) Unterstützung Programm (IITP-2017-2015-0-00385) und ICT R &#38; D-Programm (10043464, Entwicklung von Quanten-Repeater-Technologie für die Anwendung auf Kommunikationssysteme), betreut vom Institut für Informationen &#38; Communications Technology Promotion (IITP).

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieser Vortrag ist einer Methode für die Fallenjagd Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen. Der Bau eines Ion-Trapping-Systems erfordert Erfahrungen in verschiedenen Forschungsbereichen aber zuvor nicht im Detail beschrieben. Dieses Papier detaillierte Verfahren vorgesehenen Microfabricating eine Falle-Chip sowie für Bau Versuchsaufbaus zu Ionen zum ersten Mal zu fangen. Dieses Papier hat auch detaillierte Verfahren zur Überfüllung 174Yb+ Ionen und experimentieren mit Gefangenen Ionen.
Ein erhebliches Hindernis konfrontiert in den Microfabrication Verfahren ist die Ablagerung von der dielektrischen Schicht mit einer Dicke von mehr als 10 µm. Während der Abscheidung der dicken dielektrische Schicht kann Eigenspannungen aufzubauen, das beschädigen der dielektrischen Film oder "kantig" den Wafer. Um die Restspannung zu verringern, die in der Regel Druckfestigkeit ist, sollte eine langsame Abscheidungsrate verwendeten40sein. In unserem Fall wurde eine Druckspannung von 110,4 MPa mit der Abscheidungsbedingungen von 540 Sccm SiH-4 -Gas-Durchfluss, 140 W RF Power und 1,9 Torr Druck bei 5 µm Schichtdicke gemessen. Diese Bedingungen stellen jedoch nur eine grobe Referenz, da diese Bedingungen für verschiedene Geräte erheblich variieren können. Um die Auswirkungen der angesammelten Stress zu reduzieren, wurden 3,5 µm dicken SiO2 Filme abwechselnd auf beiden Seiten des Wafers in die vorgestellte Methode hinterlegt. Die gewünschte Dicke der dielektrischen Schicht reduziert werden, wenn eine kleinere Amplitude der RF-Spannung und damit eine flachere Falle Tiefe gewählt. Flachere Falle Tiefe führt jedoch leicht zu die Flucht der Gefangenen Ionen, so ist die Herstellung von dickeren Dielektrische Schichten, die höhere RF Spannungen standhalten, wünschenswerter.
Es gibt einige Einschränkungen, die Herstellungsverfahren, die in diesem Dokument vorgestellt. Die Längen der die Überhänge sind nicht ausreichend, die dielektrische Seitenwände aus den Gefangenen Ionen vollständig auszublenden, wie in Abbildung 7fgezeigt. Darüber hinaus sind die Seitenwände der Oxid Säulen gezackt, Erhöhung der exponierten Bereich der dielektrischen Seitenwände im Vergleich zu der vertikalen Oxid-Säule. Beispielsweise wird bei der Seitenwand der inneren DC Schiene in der Nähe der Ladeschlitz mit einem einheitlichen Überhang von 5 µm berechnet, dass 33 % der dielektrischen Fläche die eingeschlossene Ion Position der vertikalen Seitenwand ausgesetzt ist. Im Fall von jagged Edge ist mehr als 70 % des Gebiets Seitenwand ausgesetzt. Diese nicht-ideale Herstellung Ergebnisse zusätzliche Streufelder von exponierten Dielektrika induzieren können, aber die Effekte nicht quantitativ gemessen. Dennoch hat der gefertigte Chip wie berichtet im Ion-Trapping und Qubit Manipulation Experimente erfolgreich eingesetzt. Darüber hinaus hat die Falle Chip präsentiert in diesem Papier Silizium Seitenwände in der Nähe der Ladeschlitz ausgesetzt. Native Oxid kann auf die Silizium-Oberflächen und kann dazu führen, dass zusätzliche Streufelder. Daher empfiehlt es sich, die Silizium-Substrat mit einer zusätzlichen metallischen Schicht, wie in33zu schützen.
Um 174Yb+ Ionen zu fangen, die Frequenzen der Laser innerhalb von ein paar Dutzend MHz stabilisiert werden sollte, und ein paar verschiedene Methoden werden in den erweiterten Einstellungen38,41diskutiert. Ist jedoch für die einfache Einrichtung diskutiert in diesem Papier, erste Trapping möglich nur mit einer Stabilisierung mit einer Wellenlänge Meter.
Dieses Papier zur Verfügung gestellt ein Protokoll um 174Yb+ -Ionen mit einer Microfabricated Oberfläche Ionenfallen-Chip zu fangen. Obwohl das Protokoll für das Einfangen von 171Yb+ Ionen nicht konkret diskutiert, die in diesem Dokument beschriebenen Versuchsaufbau auch 171Yb+ Ionen zu fangen und den Qubit-Zustand der 171 manipulieren einsetzbar Yb+ -Ionen zu Rabi Oszillation Ergebnissen (siehe Abbildung 10). Dies kann durch das Hinzufügen von mehreren optischen Modulatoren für die Ausgabe der Laser und mithilfe von eine Mikrowelle-Setup wie in Zusatzdokumentbeschrieben erfolgen.
Zusammenfassend können der experimentellen Methoden und Ergebnisse, die in diesem Papier verwendet werden, verschiedene Quanten Informationsanwendungen mit Oberfläche Ionenfallen zu entwickeln.

Eine Paulfalle kann geladene Teilchen, Ionen in einem leeren Raum, mit einer Kombination aus einem statischen elektrischen Feld und eine unterschiedliche elektrische Feld oszillierend auf Radiofrequenz (RF), einschließlich beschränken und die Quantenzustände der Ionen in der Falle beschränkt kann gemessen werden und 1,2,3gesteuert. Solchen Ionenfallen wurden ursprünglich für präzise Messung Anwendungen, einschließlich optischen Uhren und Massenspektroskopie4,5,6entwickelt. In den letzten Jahren haben diese Ionenfallen auch aktiv erforscht wie eine physische Plattform zur Umsetzung der Quanteninformationsverarbeitung die wünschenswerten Eigenschaften der Gefangenen Ionen, wie z. B. lange Kohärenz, ideale Isolation in einer extrem hohen zugeschrieben Vakuum (UHV) Umwelt und die Machbarkeit von einzelnen Qubit Manipulation7,8,9,10. Seit Kielpinski Et Al. 11 vorgeschlagen eine skalierbare Ionenfallen-Architektur, die verwendet werden kann, Quantencomputer, verschiedene Arten von Oberflächen fallen, einschließlich Kreuzung fallen12,13, Mehrzonen-Falle Chips14und 2-d Array zu entwickeln fallen15,16,17, entstanden mit Halbleiter Prozess abgeleitet Microfabrication Methoden18,19,20,21 . Groß angelegte Quantum informationsverarbeitender Systeme basierend auf der Oberfläche, fallen auch gewesen diskutiert22,23,24.
Dieser Beitrag stellt experimentelle Methoden für Überfüllung Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen. Genauer gesagt, ein Verfahren zur Herstellung von Oberflächen Ionenfallen und ein detailliertes Verfahren für Trapping-Ionen mit den vorgefertigten fallen werden beschrieben. Darüber hinaus sind detaillierte Beschreibungen der verschiedenen praktische Techniken zur Einrichtung des experimentellen Systems und einfangen von Ionen in das Zusatzdokumentzur Verfügung gestellt.
Die Methodik für die Microfabricating erhält eine Oberfläche Ionenfallen in Schritt 1. Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Oberfläche Ionenfalle. Die elektrischen Felder durch die Spannung an den Elektroden in der Querebene erzeugt werden auch25angezeigt. Eine HF-Spannung wird auf das Paar von RF Elektroden angewendet, während alle anderen Elektroden RF Boden gehalten werden; die ponderomotorische potenziellen26 durch die HF-Spannung erzeugt beschränkt sich die Ionen in radialer Richtung. Der Gleichstrom (DC) Spannung an die mehrere DC-Elektroden außerhalb der RF-Elektroden beschränken die Ionen in Längsrichtung. Die inneren Schienen zwischen den RF-Elektroden sollen dazu beitragen, die Hauptachsen des Gesamtpotenzials in der Querebene zu kippen. Die Methodik für die Gestaltung einer DC-Spannung-Reihe gehört das Zusatzdokument. Darüber hinaus finden Sie weitere Details zu entwerfen die wesentlichen geometrischen Parameter der Oberfläche Ionenfallen-Chips in27,28,29,30,31.
Das Herstellungsverfahren, die in Schritt 1 eingeführt wurde entwickelt, unter Berücksichtigung der folgenden Aspekte. Erstens sollte die dielektrische Schicht zwischen der Elektrode und der Bodenschicht dick genug um elektrischen Durchschlag zwischen den Schichten zu verhindern. Im Allgemeinen sollte die Dicke über 10µm. Während der Abscheidung der dicken dielektrische Schicht kann die Eigenspannungen aus den hinterlegten Filmen Verbeugung des Substrats oder Schäden an den hinterlegten Filmen führen. So ist steuern die Restspannung eines der wichtigsten Techniken in der Herstellung der Oberfläche Ionenfallen. Zweitens sollte die Belichtung der dielektrischen Oberflächen auf die Ionen-Position minimiert werden, da streunende Gebühren auf das dielektrische Material von verstreuten Ultraviolett (UV) Laser, induziert werden können die in wiederum führt eine zufällige Verschiebung von Ionen zu positionieren. Die exponierte Bereich kann durch die Gestaltung Überhang Elektrodenstrukturen reduziert werden. Es wurde berichtet, dass das Ionenfallen mit Elektrode Überhänge sind resistent gegen laden unter typischen Versuchsbedingungen32Oberfläche. Dritte, alle Materialien, einschließlich der verschiedenen hinterlegte Filmen sollte 200 ° C backen für ca. 2 Wochen aushalten, und die Höhe der Ausgasung aus allen Materialien sollte mit UHV-Umgebungen kompatibel sein. Das Design der Oberfläche Ionenfallen-Chips-Microfabricated in diesem Papier basiert auf der Falle Design von33, die erfolgreich in verschiedenen Experimenten32,33,34, verwendet wurde 35. beachten Sie, dass dieses Design einen Schlitz in der Mitte des Chips enthält, für Laden von neutralen Atomen, die später Foto-für Überfüllung ionisiert.
Nach der Herstellung von Ionenfallen Chip ist der Chip montiert und elektrisch angeschlossen an den Chip-Träger mit gold Bonddrähte. Der Chip-Träger wird dann in einer UHV-Kammer installiert. Eine detaillierte Anleitung für die Vorbereitung einer Trap-Chip-Package und das Design der UHV-Kammer werden in das Ergänzende Dokumentbereitgestellt.
Vorbereitung der Trapping-Ionen, die optische und elektrische Ausrüstung sowie die experimentelle Verfahren sind in Schritt 2 ausführlich erläutert. Die Ionen durch die ponderomotorische potenzielle gefangen sind in der Regel unterliegen den Schwankungen des umgebenden elektrischen Feldes, die kontinuierlich die mittlere kinetische Energie der Ionen erhöht. Laser cooling anhand der Doppler-Verschiebung kann verwendet werden, um die überschüssige Energie aus der Bewegung der Ionen zu entfernen. Abbildung 2 zeigt die vereinfachte Energieniveau Diagramme von einem 174Yb+ Ion und eine neutrale 174Yb Atom. Doppler Kühlung von 174Yb+ -Ionen erfordert eine 369,5-nm-Laser und eine 935-nm-Laser, während Foto-Ionisation der neutralen 174Yb Atome einen 399-nm-Laser erfordert. 2.2 und 2.3 beschrieben, eine effiziente Methode um diese Laser die Oberfläche Ionenfallen-Chip und ein Verfahren zu finden, die richtigen Voraussetzungen für Foto-Ionisation auszurichten. Nachdem die optischen und elektrischen Komponenten vorbereitet sind, ist das Einfangen von Ionen relativ einfach. Die experimentelle Sequenz für Trapping-Ionen ist in Schritt 2.4 vorgestellt.

<table><tbody><tr><td>photoresist used for 2-&amp;mu;m spin coating</td><td>AZ Materials</td><td>AZ7220</td><td>Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.</td></tr><tr><td>photoresist used for 6-&amp;mu;m spin coating</td><td>AZ Materials</td><td>AZ4620</td><td>Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.</td></tr><tr><td>ceramic chip carrier</td><td>NTK</td><td>IPKX0F1-8180BA</td><td></td></tr><tr><td>epoxy compound</td><td>Epotek</td><td>353ND</td><td></td></tr><tr><td>Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100</td><td></td></tr><tr><td>Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) system</td><td>Centrotherm</td><td>E-1200</td><td></td></tr><tr><td>Furnace</td><td>Seltron</td><td>SHF-150</td><td></td></tr><tr><td>Sputter</td><td>Muhan Vacuum</td><td>MHS-1500</td><td></td></tr><tr><td>Manual aligner</td><td>Karl-Suss</td><td>MA-6</td><td></td></tr><tr><td>Deep Si etcher</td><td>Plasma-Therm</td><td>SLR-770-10R-B</td><td></td></tr><tr><td>Inductive coupled plasma (ICP) etcher</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100 Cobra</td><td></td></tr><tr><td>Reactive ion etching (RIE) etcher</td><td>Applied Materials</td><td>P-5000</td><td></td></tr><tr><td>Boundary element method (BEM) software</td><td>CPO Ltd.</td><td>Charged Particle Optics</td><td></td></tr><tr><td>Single crystaline (100) silicon wafer</td><td>STC</td><td>4SWP02</td><td>100 mm / (100) / P-type / SSP / 525&amp;plusmn;25 &amp;mu;m</td></tr><tr><td>metal tubes</td><td>Mcmaster-carr</td><td>89935K69</td><td>316 Stainless Steel Tubing, 0.042&quot; OD, 0.004&quot; Wall Thickness</td></tr><tr><td>Yb piece</td><td>Goodfellow</td><td>YB005110</td><td>Ytterbium wire, purity 99.9%</td></tr><tr><td>enriched &lt;sup&gt;171&lt;/sup&gt;Yb</td><td>Oak Ridge National Laboratory</td><td>Yb-171</td><td>https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium</td></tr><tr><td>tantalum foil</td><td>The Nilaco Corporation</td><td>TI-453401</td><td>0.25x130x100mm 99.5%</td></tr><tr><td>Kapton-insulated copper wire</td><td>Accu-glass</td><td>18AWG (silver plated copper wire kapton insulted)</td><td></td></tr><tr><td>residual gas analyzer (RGA)</td><td>SRS</td><td>RGA200</td><td></td></tr><tr><td>turbo pump</td><td>Agilent</td><td>Twistorr84 FS</td><td></td></tr><tr><td>all-metal valve</td><td>KJL</td><td>manual SS All-Metal Angle Valves (CF flanged)</td><td></td></tr><tr><td>Leak detector (used as a rough pump)</td><td>Varian</td><td>PD03</td><td></td></tr><tr><td>ion gauges</td><td>Agilent</td><td>UHV-24p</td><td></td></tr><tr><td>ion pump</td><td>Agilent</td><td>VacIon Plus 20</td><td></td></tr><tr><td>NEG pump</td><td>SAES Getters</td><td>CapaciTorr D400</td><td></td></tr><tr><td>spherical octagon</td><td>Kimball Physics</td><td>MCF600-SphOct-F2C8</td><td></td></tr><tr><td>ZIF socket</td><td>Tactic Electronics</td><td>P/N 100-4680-002A</td><td></td></tr><tr><td>multi-pin feedthroughs</td><td>Accu-Glass</td><td>6-100531</td><td></td></tr><tr><td>25 D-sub gender adapters</td><td>Accu-Glass</td><td>104101</td><td></td></tr><tr><td>Recessed viewport</td><td>Culham Centre for Fusion Energy</td><td>100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Custom order)</td><td>Disc material: 60cv Fused Silica 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td></tr><tr><td>Recessed viewport AR coating</td><td>LaserOptik</td><td>AR355nm/0-6&amp;deg; HT370-650nm/0-36&amp;deg; on UHV (Custom order)</td><td>AR coating was performed in the middle of the fabrication of the recessed viewport</td></tr><tr><td>Digital-analog converter</td><td>AdLink</td><td>PCIe-6216V-GL</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm laser</td><td>Toptica</td><td>TA-SHG Pro</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm laser</td><td>Moglabs</td><td>ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC</td><td></td></tr><tr><td>399nm laser</td><td>Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>935nm laser</td><td>Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm &amp;amp; 399nm optical fiber</td><td>Coherent</td><td>NUV-320-K1</td><td>Patch cables are connectorized by Costal Connections.</td></tr><tr><td>935nm optical fiber</td><td>GouldFiber Optics</td><td>PSK-000626</td><td>50/50 fiber beam splitter made of Corning HI-780 single mode fiber to combine 935nm and 638nm together.</td></tr><tr><td>Wavelength meter</td><td>High Finesse</td><td>WSU-2</td><td></td></tr><tr><td>temporary mirror</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Dichroic mirror</td><td>Semrock</td><td>FF647-SDi01-25x36</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm &amp;amp; 399nm collimator</td><td>Micro Laser Systems</td><td>FC5-UV-T/A</td><td></td></tr><tr><td>935nm collimator</td><td>Sch&amp;auml;fter + Kirchhoff</td><td>60FC-0-M8-10</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm focusing lens</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-77.3-UV-355-399</td><td>Focal length: ~163mm @ 369.5nm</td></tr><tr><td>399nm &amp;amp; 935nm focusing lens</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-64.4-UV-355-399</td><td>Focal length: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm</td></tr><tr><td>imaging lens</td><td>Photon Gear</td><td>P/N 15470</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm bandpass filter</td><td>Semrock</td><td>FF01-370/6-25</td><td></td></tr><tr><td>399nm bandpass filter</td><td>Semrock</td><td>FF01-395/11-25</td><td></td></tr><tr><td>IR filter</td><td>Semrock</td><td>FF01-650/SP-25</td><td></td></tr><tr><td>EMCCD camera</td><td>Andor Technology</td><td>DU-897U-CS0-EXF</td><td></td></tr><tr><td>PMT</td><td>Hamamatsu</td><td>H10682-210</td><td></td></tr></tbody></table>

experimental methods for trapping ions using microfabricated surface ion traps

Ionen in einem Quadrupol Paulfalle gefangen wurden eines der starken physischen Kandidaten zur Quanteninformationsverarbeitung Umsetzung berücksichtigt. Dies ist aufgrund ihrer langen Kohärenz-Zeit und ihre Fähigkeit zu manipulieren und zu einzelnen Quantenbits (Qubits) zu erkennen. In den letzten Jahren haben Microfabricated Oberfläche Ionenfallen mehr Aufmerksamkeit für groß angelegte integrierte Qubit-Plattformen erhalten. Dieses Papier stellt eine Microfabrication Methodik für Ionenfallen mit Micro-Electro-Mechanical (MEMS)-Systemtechnologie, einschließlich der Herstellungsverfahren für einen 14 µm dicken dielektrische Schicht und Metall Überhang Strukturen auf die dielektrische Schicht. Darüber hinaus ist ein experimentelles Verfahren für trapping Ytterbium (Yb) Ionen des Isotops 174 (174Yb+) mit 369.5 nm, 399 nm, und 935 nm Diodenlaser wird beschrieben. Diese Methoden und Verfahren beinhalten viele wissenschaftliche und technische Disziplinen, und dieser Beitrag stellt zunächst die detaillierte experimentelle Verfahren. In diesem Artikel beschriebenen Methoden sind leicht um das Abfangen von Yb-Ionen des Isotops 171 (171Yb+) und die Manipulation der Qubits erweiterbar.

Abbildung 7 zeigt den Scan Elektron Mikrographen (SEM) von den vorgefertigten Ionenfallen-Chip. RF-Elektroden, innere DC-Elektroden, äußere DC-Elektroden und Ladeschlitz wurden erfolgreich hergestellt. Die Seitenwand Profil der dielektrischen Säule wurde gezackt, weil das PECVD-Oxid in mehreren Schritten hinterlegt wurde. Mehrere Ablagerung Schritte wurden verwendet, um die Auswirkungen von Eigenspannungen aus dicken Oxid Filmen zu minimieren. Dies wird in der Diskussionweiter beschrieben.

Abbildung 8 zeigt das EMCCD Bild von fünf 174Yb+ Ionen gefangen, mit dem Microfabricated Ionenfallen Chip. Die Gefangenen Ionen können mit kontinuierlicher Doppler für mehr als 24 h dauern Kühlung. Die Zahl der Gefangenen Ionen einstellbar zwischen 1 und 20 durch Ändern der angewandten DC Spannung gesetzt. Dieser Versuchsaufbau ist sehr zuverlässig und robust und hat z.z. seit 50 Monate in Betrieb gewesen.
Abbildung 9 zeigt die pendelt der Gefangenen Ionen entlang der axialen Richtung. Die Ionen-Position in Abbildung 9 b ist aus, die in Abbildung 9a durch die Einstellung der Position der möglichen minimalen DC verschoben, durch Ändern der Gleichspannungen.
Abbildung 10 zeigt die vorläufigen Ergebnisse der Rabi Oszillation Experimente mit einem 171Yb+ Ion. Um die Ergebnisse zu erhalten, wurden die zusätzliche Setups im Zusatzdokument beschrieben verwendet. Die Ergebnisse wurden aufgenommen, um eine mögliche Anwendung des experimentellen Aufbaus erklärt in diesem Beitrag zeigen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Schematische der Oberfläche Ionenfallen. (ein) die roten Punkte stehen für die Gefangenen Ionen. Die braunen und gelben Elektroden zeigen die RF und DC Elektroden bzw.. Die grauen Pfeile zeigen die Richtung des elektrischen Feldes in der positiven Phase der HF-Spannung. Beachten Sie, dass der Schaltplan ist nicht maßstabsgetreu. (b) der vertikalen Dimensionen der Elektrodenstruktur. (c) die seitlichen Abmessungen der Elektrodenstruktur. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Abbildung 2: Vereinfachte Energieniveau Diagramme von einem 174Yb+ Ion und eine neutrale 174Yb Atom. (ein) Wenn ein 369.5 nm Laser an das rote Seite (niedrigere Frequenz) der Resonanz verstimmt ist, ein Fahrrad Übergang zwischen 2P1/2 und 2S1/2 reduziert die kinetische Energie des Ions wegen der Doppler Wirkung. Gelegentlich eine kleine, aber endliche Verzweigung Verhältnis macht den Elektron Zerfall aus 2P1/2 bis 2D3/2, und ein 935-nm-Laser ist erforderlich, um das Elektron wieder zurück zu den wichtigsten Radsport Übergang. Das Elektron kann auch in einen 2F7/2 Zustand einmal pro Stunde, durchschnittlich, zerfallen und 638 nm Laser Pumpen es aus 2F7/2 Zustand, aber dies ist nicht notwendig für ein einfaches System-38. Die Werte in der Ket-Notation darstellen die Projektionen der total Angular Momenta J entlang der Quantisierung Achse mJ. (b) um neutrale Atome aus dem Ofen, ein zwei-Photonen-Absorptionsprozess verdampft ionisieren war gebrauchte39. 399 nm Laser aufgeregt ein Elektron 1P1 Zustand, und das 369.5 nm Photon Doppler Kühlung hatte mehr Energie als notwendig, das aufgeregte Elektron aus der Ionen entfernen. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Abbildung 3: Fertigung Ablauf der Oberfläche Ionenfallen. (ein) thermische Oxidation, eine 5.000 Å dicken SiO2 Schicht und LPCVD einer 2.000 Å dicken Si3N4 Schicht wachsen. (b) Ablagerung und ICP Ätzen einer 1,5 µm dicken gesputterten Al-Schicht. (c) Abscheidung eines 14 µm dicken SiO2 Schicht auf beiden Seiten des Wafers mit PECVD-Verfahren. (d) Strukturierung der 14 µm dicken SiO2 Schicht abgeschieden auf der Vorderseite des Wafers mit einem RIE-Verfahren (e) Strukturierung der 14 µm dicken SiO2 Schicht auf der Rückseite des Wafers mit einem RIE-Verfahren hinterlegt. (f) Ablagerung von einem 1,5 µm dicken gesputterten Al-Schicht und einer 1 µm Dicke PECVD-SiO2 Schicht. (g) Strukturierung von 1,5 µm dicken Al-Schicht mit einem ICP-Verfahren und 1 µm dicken SiO2 Schicht mit einem RIE verarbeiten. (h) hinterlegt Musterung der 14 µm dicken SiO2 Schicht auf der Vorderseite des Wafers mit einem RIE-Verfahren. (ich) Strukturierung von 5.000 Å dicken SiO2 Schicht und die 2.000 Å dicken Si3N4 Schicht mit einem RIE verarbeiten. (j) DRIE das Siliziumsubstrat 450 µm von der Rückseite des Wafers. (k) nass-Ätzen der SiO2 Schicht auf die Al-Elektroden und den Seitenwänden der dielektrischen Säulen. (l) Eindringen von Silizium-Substrat von vorne durch einen DRIE-Prozess. Beachten Sie, dass die Schaltpläne sind nicht maßstabsgetreu. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Abbildung 4: ein Beispiel für die DC-Spannung gesetzt verwendet, um Ionen trap. Die Spannungen auf die Innenschienen angewendet können das asymmetrische elektrische Feld in horizontaler Richtung der Hauptachsen des Gesamtpotenzials in der Querebene kippen kompensieren. Die axiale Falle Frequenz von eingestellten Spannung erzeugt wurde 550 kHz. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Ether.within-Seite "1" = ><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Abbildung 5: Schema des optischen Aufbaus. Drei Diodenlaser sind so ausgerichtet, an der Trapping-Position überlappen. Versenkte Ansichtsfenster der UHV-Kammer ermöglicht die Bildbearbeitung Objektiv platziert werden so nah wie möglich an den Chip-Oberfläche. Eine Spiegel platziert zwischen dem bildgebenden Objektiv und der EMCCD ermöglicht die gezielte Überwachung der Ionen-Fluoreszenz mit entweder einem Photon multipliziert Schlauch (PMT) oder einer EMCCD. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Abbildung 6: Bilder von der konstruierten optischen Aufbau. (ein) A Spule wird gewickelt, um das vordere Ansichtsfenster der Kammer zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das entartete Energieniveaus von Ytterbium Ionen brechen kann. (b) der optische Aufbau für die Lenkung der 399 nm und 935 nm Balken. Die roten und grünen Linien geben den Strahlengang der 935 nm und 399 nm Laser, beziehungsweise. (c) die Konfiguration der Imaging Systems, einschließlich der Spiegel, der bildgebenden Linse, die EMCCD und die Zlg. Der Weg der von den Gefangenen Ionen emittiert Fluoreszenz kann von der Spiegel bestimmt werden. Die grün-weißen Pfeile zeigen den Weg der Fluoreszenz, wenn durch die EMCCD und der PMT bzw. überwacht werden. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Abbildung 7: Herstellung Ergebnisse der Oberfläche Ionenfallen. (ein) Überblick über das Chip-Layout. (b) einer vergrößerten Ansicht des Chip-Layout, das mehrere äußere DC Elektroden zeigt. (c) einer vergrößerten Ansicht des Chip-Layout, das den Ladeschlitz zeigt. (d) eine Cross-sectional Blick auf die Trapping-Region vor dem Eindringen der Ladeschlitz. (e) eine Cross-sectional Blick auf die Trapping-Region nach Eindringen der Ladeschlitz. (f) A vergrößert Querschnittsansicht der Oxid-Säule. Die Oxid-Säulen haben Wände gezackt und die Längen des Überhangs reichen nicht aus, die die ungleichmäßige Etch-Rate der SiO2 an den Schnittstellen zwischen den separat hinterlegten 3,5 µm dicken SiO2 Schichten zugeschrieben wird. (g) A Draufsicht eines Drahtbonden Pads einer DC-Elektrode. (h) A Querschnittsansicht einer über. Geneigte Profile der Oxid-Säulen ermöglichen die Verbindung von der DC-Elektrode und die Grundebene während der Abscheidung der Al-Schicht auf der Seitenwand der Oxid-Säule statt Füllung der durch Löcher mit einem galvanischen Prozess. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Abbildung 8: ein EMCCD Bild von fünf 174Yb+ Ionen gefangen auf dem Microfabricated Ionenfallen Chip. Das Bild von der Oberfläche Falle Elektrodenstruktur separat gemacht wurde, und die Bilder des eingeschlossenen Ions und der Elektroden wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit kombiniert. Die Intensität Legende bezieht sich nur auf die Pixel in das Feld ein. Der Dicke Pfeil zeigt den Strahlengang des 369.5 nm Lasers und die dünne Pfeile stellen die X - und Z-Komponenten den Impuls des Photons. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Abbildung 9: Anpassung des axialen Potenzials der Gefangenen Ionen in einer linearen Kette. (ein) sieben Ionen in der Mitte der Falle. (b) die Ionen wurden geshuttelt zehn Mikrometern. (c) drückte die Ionen-Zeichenfolge in axialer Richtung. Diese Zahl ist am besten als einen Film angesehen, die separat hochgeladen ist. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Abbildung 10: Experimentelle Ergebnisse von Rabi Schwingungen zwischen den | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> und | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Staaten. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> ist definiert als die 2S-1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Stand der 171Yb+ Ion, und | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> ist definiert als die 2S-1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Stand. Die Rabi Schwingung wird durch ein 12,6428-GHz-Mikrowellen induziert. Bloch-Kugeln über die Handlung zeigen die entsprechenden Quantenzustände zu unterschiedlichen Zeiten. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Ergänzende Dokument: <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Klicken Sie bitte hier, um dieses Dokument zu downloaden.</a>

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Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Dieses Papier stellt eine Microfabrication Methodik zur Oberfläche Ionenfallen, sowie ein detailliertes experimentelle Verfahren für Überfüllung Ytterbium Ionen in einer Raumtemperatur Umgebung.

Experimentelle Methoden für das Einfangen von Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

experimental-methods-for-trapping-ions-using-microfabricated-surface

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

13.5K Aufrufe.  Seoul National University. Dieses Papier stellt eine Microfabrication Methodik zur Oberfläche Ionenfallen, sowie ein detailliertes experimentelle Verfahren für Überfüllung Ytterbium Ionen in einer Raumtemperatur Umgebung.

Serie: Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

Optical Trapping von Nanopartikeln

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Forschung

Ingenieurwesen

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science. Methods for particle trapping based on optical, magnetic, electrokinetic, and acoustic techniques have led to major advancements in physics and biology ranging from the molecular to cellular level. In this article, we introduce a new microfluidic-based technique for particle trapping and manipulation based solely on hydrodynamic fluid flow. Using this method, we demonstrate trapping of micro- and nano-scale particles in aqueous solutions for long time scales. The hydrodynamic trap consists of an integrated microfluidic device with a cross-slot channel geometry where two opposing laminar streams converge, thereby generating a planar extensional flow with a fluid stagnation point (zero-velocity point). In this device, particles are confined at the trap center by active control of the flow field to maintain particle position at the fluid stagnation point. In this manner, particles are effectively trapped in free solution using a feedback control algorithm implemented with a custom-built LabVIEW code. The control algorithm consists of image acquisition for a particle in the microfluidic device, followed by particle tracking, determination of particle centroid position, and active adjustment of fluid flow by regulating the pressure applied to an on-chip pneumatic valve using a pressure regulator. In this way, the on-chip dynamic metering valve functions to regulate the relative flow rates in the outlet channels, thereby enabling fine-scale control of stagnation point position and particle trapping. The microfluidic-based hydrodynamic trap exhibits several advantages as a method for particle trapping. Hydrodynamic trapping is possible for any arbitrary particle without specific requirements on the physical or chemical properties of the trapped object. In addition, hydrodynamic trapping enables confinement of a "single" target object in concentrated or crowded particle suspensions, which is difficult using alternative force field-based trapping methods. The hydrodynamic trap is user-friendly, straightforward to implement and may be added to existing microfluidic devices to facilitate trapping and long-time analysis of particles. Overall, the hydrodynamic trap is a new platform for confinement, micromanipulation, and observation of particles without surface immobilization and eliminates the need for potentially perturbative optical, magnetic, and electric fields in the free-solution trapping of small particles.

In this article, we present a microfluidic-based method for particle confinement based on hydrodynamic flow. We demonstrate stable particle trapping at a fluid stagnation point using a feedback control mechanism, thereby enabling confinement and micromanipulation of arbitrary particles in an integrated microdevice.

Einem mikrofluidischen-basierte Hydrodynamische Trap für einzelne Teilchen

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science.  Methods for ...

Biotechnik

In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions

Soft landing of mass-selected ions onto surfaces is a powerful approach for the highly-controlled preparation of materials that are inaccessible using conventional synthesis techniques. Coupling soft landing with in situ characterization using secondary ion mass spectrometry (SIMS) and infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS) enables analysis of well-defined surfaces under clean vacuum conditions. The capabilities of three soft-landing instruments constructed in our laboratory are illustrated for the representative system of surface-bound organometallics prepared by soft landing of mass-selected ruthenium tris(bipyridine) dications, [Ru(bpy)3]2+ (bpy = bipyridine), onto carboxylic acid terminated self-assembled monolayer surfaces on gold (COOH-SAMs). In situ time-of-flight (TOF)-SIMS provides insight into the reactivity of the soft-landed ions. In addition, the kinetics of charge reduction, neutralization and desorption occurring on the COOH-SAM both during and after ion soft landing are studied using in situ Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-ICR)-SIMS measurements. In situ IRRAS experiments provide insight into how the structure of organic ligands surrounding metal centers is perturbed through immobilization of organometallic ions on COOH-SAM surfaces by soft landing. Collectively, the three instruments provide complementary information about the chemical composition, reactivity and structure of well-defined species supported on surfaces.

In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions

Soft landing of mass-selected ions onto surfaces is a powerful approach for the highly-controlled preparation of novel materials. Coupled with analysis by in situ secondary ion mass spectrometry (SIMS) and infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS), soft landing provides unprecedented insights into the interactions of well-defined species with surfaces.

In-situ-SIMS und IR-Spektroskopie von gut definierten Oberflächen durch weiche Landung der Messe-Ionen ausgewählt Vorbereitet

Soft landing of mass-selected ions onto surfaces is a powerful approach for the highly-controlled preparation of materials that are inaccessible using ...

Chemie

On-chip Isotachophoresis for Separation of Ions and Purification of Nucleic Acids

Electrokinetic techniques are a staple of microscale applications because of their unique ability to perform a variety of fluidic and electrophoretic processes in simple, compact systems with no moving parts. Isotachophoresis (ITP) is a simple and very robust electrokinetic technique that can achieve million-fold preconcentration1,2 and efficient separation and extraction based on ionic mobility.3 For example, we have demonstrated the application of ITP to separation and sensitive detection of unlabeled ionic molecules (e.g. toxins, DNA, rRNA, miRNA) with little or no sample preparation4-8 and to extraction and purification of nucleic acids from complex matrices including cell culture, urine, and blood.9-12
ITP achieves focusing and separation using an applied electric field and two buffers within a fluidic channel system. For anionic analytes, the leading electrolyte (LE) buffer is chosen such that its anions have higher effective electrophoretic mobility than the anions of the trailing electrolyte (TE) buffer (Effective mobility describes the observable drift velocity of an ion and takes into account the ionization state of the ion, as described in detail by Persat et al.13). After establishing an interface between the TE and LE, an electric field is applied such that LE ions move away from the region occupied by TE ions. Sample ions of intermediate effective mobility race ahead of TE ions but cannot overtake LE ions, and so they focus at the LE-TE interface (hereafter called the "ITP interface"). Further, the TE and LE form regions of respectively low and high conductivity, which establish a steep electric field gradient at the ITP interface. This field gradient preconcentrates sample species as they focus. Proper choice of TE and LE results in focusing and purification of target species from other non-focused species and, eventually, separation and segregation of sample species.
We here review the physical principles underlying ITP and discuss two standard modes of operation: "peak" and "plateau" modes. In peak mode, relatively dilute sample ions focus together within overlapping narrow peaks at the ITP interface. In plateau mode, more abundant sample ions reach a steady-state concentration and segregate into adjoining plateau-like zones ordered by their effective mobility. Peak and plateau modes arise out of the same underlying physics, but represent distinct regimes differentiated by the initial analyte concentration and/or the amount of time allotted for sample accumulation.
We first describe in detail a model peak mode experiment and then demonstrate a peak mode assay for the extraction of nucleic acids from E. coli cell culture. We conclude by presenting a plateau mode assay, where we use a non-focusing tracer (NFT) species to visualize the separation and perform quantitation of amino acids.

Isotachophoresis (ITP) is a robust electrokinetic separation and preconcentration technique with applications ranging from toxin detection to sample preparation. We review the physical principles of ITP and the methodology of applying this technique to two specific example applications: separation and detection of small molecules and purification of nucleic acids from cell culture lysate.

On-chip Isotachophorese für Separierung von Ionen und Aufreinigung von Nukleinsäuren

Electrokinetic techniques are a staple of microscale applications because of their unique ability to perform a variety of fluidic and electrophoretic ...

Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor performance, which suggest a new direction for the development of next-generation ultrathin and flexible photonic and electronic devices. Enhanced luminescence quantum efficiency has been widely observed in these atomically thin 2D crystals. However, dimension effects beyond quantum confinement thicknesses or even at the micrometer scale are not expected and have rarely been observed. In this study, molybdenum diselenide (MoSe2) layer crystals with a thickness range of 6-2,700 nm were fabricated as two- or four-terminal devices. Ohmic contact formation was successfully achieved by the focused-ion beam (FIB) deposition method using platinum (Pt) as a contact metal. Layer crystals with various thicknesses were prepared through simple mechanical exfoliation by using dicing tape. Current-voltage curve measurements were performed to determine the conductivity value of the layer nanocrystals. In addition, high-resolution transmission electron microscopy, selected-area electron diffractometry, and energy-dispersive X-ray spectroscopy were used to characterize the interface of the metal&#8211;semiconductor contact of the FIB-fabricated MoSe2 devices. After applying the approaches, the substantial thickness-dependent electrical conductivity in a wide thickness range for the MoSe2-layer semiconductor was observed. The conductivity increased by over two orders of magnitude from 4.6 to 1,500 &#937;&#8722;1 cm&#8722;1, with a decrease in the thickness from 2,700 to 6 nm. In addition, the temperature-dependent conductivity indicated that the thin MoSe2 multilayers exhibited considerably weak semiconducting behavior with activation energies of 3.5-8.5 meV, which are considerably smaller than those (36-38 meV) of the bulk. Probable surface-dominant transport properties and the presence of a high surface electron concentration in MoSe2 are proposed. Similar results can be obtained for other layer semiconductor materials such as MoS2 and WS2.

We describe the approaches for the device fabrication and electrical characterization of molybdenum diselenide (MoSe2) layer semiconductor nanostructures with different thicknesses. In addition, the fabrication of ohmic contacts for MoSe2-layer nanocrystals by the focused-ion beam deposition method using platinum (Pt) as a contact metal is described.

Ohmsche Kontakt Fabrication unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahl-Technik und Elektrische Charakterisierung für Layer-Halbleiter-Nanostrukturen

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor ...

Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. Herein, we introduce a microfluidic-based technology, employing a double-layer microfluidic device, which can trap and localize in situ and ex situ synthesized structures on microfluidic channel surfaces. Crucially, we show how such a device can be used to conduct controlled chemical reactions onto on-chip trapped structures and we demonstrate how the synthetic pathway of a crystalline molecular material and its positioning inside a microfluidic channel can be precisely modified with this technology. This approach provides new opportunities for the controlled assembly of structures on surface and for their subsequent treatment.

Herein, we describe the fabrication and operation of a double-layer microfluidic system made of polydimethylsiloxane (PDMS). We demonstrate the potential of this device for trapping, directing the coordination pathway of a crystalline molecular material and controlling chemical reactions onto on-chip trapped structures.

Mikrofluidik Pneumatische Käfige: Ein neuer Ansatz für In-Chip-Kristall-Trapping, Manipulation und Steuerung chemischer Behandlung

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

Optische Trap-Laden von Dielectric Mikroteilchen in der Luft

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

Plasmonische Trapping und Freisetzung von Nanopartikeln in einer Monitoring-Umgebung

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

Double-barreled and Concentric Microelectrodes for Measurement of Extracellular Ion Signals in Brain Tissue

Electrical activity in the brain is accompanied by significant ion fluxes across membranes, resulting in complex changes in the extracellular concentration of all major ions. As these ion shifts bear significant functional consequences, their quantitative determination is often required to understand the function and dysfunction of neural networks under physiological and pathophysiological conditions. In the present study, we demonstrate the fabrication and calibration of double-barreled ion-selective microelectrodes, which have proven to be excellent tools for such measurements in brain tissue. Moreover, so-called &#8220;concentric&#8221; ion-selective microelectrodes are also described, which, based on their different design, offer a far better temporal resolution of fast ion changes. We then show how these electrodes can be employed in acute brain slice preparations of the mouse hippocampus. Using double-barreled, potassium-selective microelectrodes, changes in the extracellular potassium concentration ([K+]o) in response to exogenous application of glutamate receptor agonists or during epileptiform activity are demonstrated. Furthermore, we illustrate the response characteristics of sodium-sensitive, double-barreled and concentric electrodes and compare their detection of changes in the extracellular sodium concentration ([Na+]o) evoked by bath or pressure application of drugs. These measurements show that while response amplitudes are similar, the concentric sodium microelectrodes display a superior signal-to-noise ratio and response time as compared to the double-barreled design. Generally, the demonstrated procedures will be easily transferable to measurement of other ions species, including pH or calcium, and will also be applicable to other preparations.

We demonstrate the fabrication, calibration and properties of two types of ion-selective microelectrodes (double-barreled and concentric) for measurement of ion concentrations in brain tissue. These are then used in the mouse hippocampal slice preparation to show that excitatory activity changes both extracellular potassium and sodium concentrations.

Doppelläufige und Concentric Mikroelektroden zur Messung der extrazellulären Ionensignale im Hirngewebe

Electrical activity in the brain is accompanied by significant ion fluxes across membranes, resulting in complex changes in the extracellular ...

Neurowissenschaften

Real-time Iontophoresis with Tetramethylammonium to Quantify Volume Fraction and Tortuosity of Brain Extracellular Space

This review describes the basic concepts and protocol to perform the real-time iontophoresis (RTI) method, the gold-standard to explore and quantify the extracellular space (ECS) of the living brain. The ECS surrounds all brain cells and contains both interstitial fluid and extracellular matrix. The transport of many substances required for brain activity, including neurotransmitters, hormones, and nutrients, occurs by diffusion through the ECS. Changes in the volume and geometry of this space occur during normal brain processes, like sleep, and pathological conditions, like ischemia. However, the structure and regulation of brain ECS, particularly in diseased states, remains largely unexplored. The RTI method measures two physical parameters of living brain: volume fraction and tortuosity. Volume fraction is the proportion of tissue volume occupied by ECS. Tortuosity is a measure of the relative hindrance a substance encounters when diffusing through a brain region as compared to a medium with no obstructions. In RTI, an inert molecule is pulsed from a source microelectrode into the brain ECS. As molecules diffuse away from this source, the changing concentration of the ion is measured over time using an ion-selective microelectrode positioned roughly 100 &#181;m away. From the resulting diffusion curve, both volume fraction and tortuosity can be calculated. This technique has been used in brain slices from multiple species (including humans) and in vivo to study acute and chronic changes to ECS. Unlike other methods, RTI can be used to examine both reversible and irreversible changes to the brain ECS in real time.

This protocol describes real-time iontophoresis, a method that measures physical parameters of the extracellular space (ECS) of living brains. The diffusion of an inert molecule released into the ECS is used to calculate the ECS volume fraction and tortuosity. It is ideal for studying acute reversible changes to brain ECS.

Echtzeit-Iontophorese mit Tetramethylammonium zur Quantifizierung der Volumenfraktion und Tortuosität des Gehirns extrazellulären Raumes

This review describes the basic concepts and protocol to perform the real-time iontophoresis (RTI) method, the gold-standard to explore and quantify the ...