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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Questa ricerca è stato parzialmente sostenuta da Ministero della scienza, ICT, e futuro pianificazione (MSIP), Corea del sud, sotto informazioni Technology Research Center (ITRC) supporto programma (IITP-2017-2015-0-00385) e l'ICT R &#38; D programma (10043464, sviluppo di tecnologia di ripetitore di Quantum per l'applicazione di sistemi di comunicazione), sotto la supervisione dell'Istituto per informazioni &#38; promozione di tecnologia di comunicazioni (IITP).

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Questa carta ha presentato un metodo per gli ioni di cattura mediante trappole ioniche superficie microfabbricati. La costruzione di un sistema di intercettazione degli ioni richiede esperienze in vari campi di ricerca, ma precedentemente non è stata descritta in dettaglio. Questa carta fornite procedure dettagliate per microfabricating un chip di trappola anche per quanto riguarda la costruzione di un apparato sperimentale per intrappolare gli ioni per la prima volta. Questa carta inoltre fornite procedure dettagliate per intrappolare gli ioni 174Yb+ e la sperimentazione con gli ioni intrappolati.
Un ostacolo significativo affrontato nelle procedure di microfabbricazione è la deposizione dello strato dielettrico, con uno spessore di oltre 10 µm. Durante il processo di deposizione dello strato dielettrico spesso, tensioni residue possono accumularsi, che può causare danni alla pellicola dielettrica o persino rompere il wafer. Per ridurre la tensione residua, che è generalmente alla compressione, un tasso di deposizione lento dovrebbe essere usato40. Nel nostro caso, una sollecitazione di compressione di 110,4 MPa è stata misurata con le condizioni di deposizione di 540 sccm di portata SiH4 gas, 140 W RF di potenza e 1,9 Torr di pressione allo spessore del film da 5 µm. Tuttavia, queste condizioni di processo forniscono solo un riferimento approssimativo, poiché queste condizioni possono variare significativamente per attrezzature diverse. Al fine di ridurre gli effetti dello stress accumulato, 3,5 µm di spessore SiO2 film erano depositati alternativamente su entrambi i lati del wafer nel metodo presentato. Lo spessore dello strato dielettrico può essere ridotta se una minore ampiezza di tensione RF e quindi una minore profondità di trappola è scelto. Tuttavia, una minore profondità di trappola conduce facilmente alla fuga degli ioni intrappolati, quindi la realizzazione di strati dielettrici più spessi, in grado di sopportare tensioni superiori di RF, è più desiderabile.
Ci sono alcune limitazioni per il metodo di fabbricazione presentato in questa carta. Le lunghezze degli strapiombi non sono sufficienti per nascondere completamente i fianchi dielettrici da ioni intrappolati, come mostrato in Figura 7f. Inoltre, le pareti laterali dei pilastri dell'ossido sono frastagliate, aumentando la superficie esposta dei fianchi dielettrici rispetto al pilastro verticale ossido. Ad esempio, nel caso il fianco della rotaia interna DC accanto allo slot di caricamento con una sporgenza di uniforme di 5 µm, si calcola che il 33% della superficie del dielettrica è esposto nella posizione di ioni intrappolati dei fianchi verticali. Nel caso di bordo frastagliato, oltre il 70% della zona di muro laterale è esposto. Questi risultati non ideali fabbricazione possono indurre ulteriori campi di dispersione dai dielettrici esposti, ma gli effetti non sono stati misurati quantitativamente. Tuttavia, il chip fabbricato come riportato sopra è stato utilizzato con successo in intrappolamento dello ione e gli esperimenti di manipolazione del qubit. Inoltre, il chip di trappola presentato in questa carta ha esposto i fianchi di silicio nei pressi della slot di caricamento. Ossido nativo può crescere sulle superfici di silicio e può provocare ulteriori campi di dispersione. Pertanto, si consiglia di proteggere il substrato di silicio con un ulteriore strato di metallo, come in33.
Per intercettare gli ioni 174Yb+ , le frequenze dei laser dovrebbero essere stabilizzate entro poche decine di MHz, e diversi metodi sono discussi in configurazioni avanzate38,41. Tuttavia, per l'installazione semplice discussa in questa carta, intrappolamento iniziale è possibile solo con la stabilizzazione mediante un misuratore di lunghezza d'onda.
Questa carta ha fornito un protocollo per intrappolare gli ioni di Yb+ 174utilizzando un chip di superficie trappola ionica microfabbricati. Anche se il protocollo per intrappolare gli ioni 171Yb+ non è discusso in particolare, la messa a punto sperimentale descritto in questo documento può essere utilizzato anche per intrappolare gli ioni 171Yb+ e per modificare lo stato del qubit di 171 Ioni di Yb+ per ottenere Rabi oscillazione risultati (mostrato in Figura 10). Questo può essere fatto aggiungendo diversi Modulatori ottici per l'output dei laser e utilizzando il programma di installazione di un forno a microonde, come descritto nel Documento complementare.
In conclusione, i metodi sperimentali e i risultati presentati in questa carta consente di sviluppare varie applicazioni di informazione quantistica utilizzando trappole ioniche superficiale.

Una trappola di Paul può confinare le particelle cariche, tra cui gli ioni nello spazio vuoto, usando una combinazione di un campo elettrico statico e un campo elettrico variabile oscillante a radio frequenza (RF), e gli stati quantistici degli ioni confinati nella trappola può essere misurati e controllato1,2,3. Tali trappole ioniche sono stati originariamente sviluppati per applicazioni di misura precisi, tra cui orologi ottici e spettroscopia di massa4,5,6. Negli ultimi anni, queste trappole ioniche sono anche stati attivamente Esplorate come una piattaforma fisica per implementare l'elaborazione dell'informazione quantistica attribuita alle caratteristiche desiderabili di ioni intrappolati, come lunghi tempi di coerenza, isolamento ideale in un ultra-alta ambiente di vuoto (UHV) e la fattibilità di singolo qubit manipolazione7,8,9,10. Dal Kielpinski et al. 11 proposto un'architettura scalabile trappola ionica che può essere utilizzata per sviluppare i computer quantistici, vari tipi di trappole di superficie, tra cui svincolo trappole12,13, multizona trappola chip14e 2-d matrice trappole15,16,17, sono stati sviluppati utilizzando semiconduttori derivato dal processo di microfabbricazione metodi18,19,20,21 . Informazione quantistica su larga scala sistemi basati sulla superficie di elaborazione trappole sono stati anche discussi22,23,24.
Questa carta presenta metodi sperimentali per gli ioni di cattura mediante trappole ioniche superficie microfabbricati. Più specificamente, una procedura per fabbricare superficie trappole ioniche e una procedura dettagliata per gli ioni di intrappolamento utilizzando le trappole fabbricate sono descritti. Inoltre, le descrizioni dettagliate delle varie tecniche pratiche per predisporre il sistema sperimentale e intrappolare gli ioni sono fornite nel Documento complementare.
La metodologia per microfabricating una superficie trappola ionica è dato nel passaggio 1. La figura 1 Mostra uno schema semplificato di un superficie trappola ionica. I campi elettrici generati dalla tensione applicata agli elettrodi nel piano trasversa sono indicati anche25. Una tensione di RF è applicata alla coppia di elettrodi RF, mentre tutti gli altri elettrodi sono tenuti a terra RF; il potenziale di ponderomotrice26 generato dalla tensione RF limita gli ioni nella direzione radiale. La tensione di corrente continua (DC) applicata agli elettrodi multipli DC fuori gli elettrodi RF confinare gli ioni nella direzione longitudinale. I binari interni tra gli elettrodi di RF sono progettati per aiutare inclinare gli assi principali del potenziale totale nel piano trasversa. La metodologia per la progettazione di un insieme di tensione DC è incluso nel Documento complementare. Inoltre, più dettagli per progettare i parametri geometrici essenziali di superficie trappola ionica chip si trovano in27,28,29,30,31.
Il metodo di fabbricazione introdotto nel passaggio 1 è stato progettato considerando i seguenti aspetti. In primo luogo, lo strato dielettrico tra lo strato di elettrodo e lo strato di terra dovrebbe essere sufficientemente spesso per impedire la ripartizione elettrica tra gli strati. Generalmente, lo spessore dovrebbe essere sopra 10 µm. Durante la deposizione dello strato dielettrico spessa, dello stress residuo da pellicole depositate possa causare inchinandosi del substrato o danni dei film depositati. Così, controllare la tensione residua è uno delle tecniche chiave nella fabbricazione delle superficie trappole dello ione. In secondo luogo, l'esposizione delle superfici dielettriche alla posizione dello ione deve essere minimizzato perché randagi cariche possono essere indotte sul materiale dielettrico da laser sparsi ultravioletto (UV), che nei risultati di girare in uno spostamento casuale dello ione di posizione. L'area esposta può essere ridotto di progettazione di strutture di elettrodo di sporgenza. È stato segnalato che in superficie trappole ioniche con elettrodo strapiombi sono resistenti alla carica in condizioni sperimentali tipiche32. Terzo, tutti i materiali, tra cui varie pellicole depositate, dovrebbero essere in grado di resistere a 200 ° C, cottura per circa 2 settimane, e la quantità di emissione di gas da tutti i materiali deve essere compatibile con ambienti di UHV. Il design della trappola ionica superficiale chip microfabbricati in questa carta è basato sul design di trappola da33, che è stato utilizzato con successo in vari esperimenti32,33,34, 35. si noti che questo disegno include uno slot nel mezzo il chip per caricamento atomi neutri, che vengono poi foto ionizzata per il trapping.
Dopo il montaggio del chip trappola ionica, il chip è montato e collegato elettricamente al vettore chip utilizzando fili di oro incollaggio. Il trasportatore di chip viene quindi installato in una camera in UHV. Una procedura dettagliata per la preparazione di un package di chip di trappola e il design della camera UHV sono forniti nel Documento complementare.
Preparazione delle attrezzature ottiche ed elettriche, nonché le procedure sperimentali per gli ioni di intrappolamento, sono spiegati in dettaglio nel passaggio 2. Gli ioni intrappolati dal ponderomotrice potenziali sono generalmente soggetti a fluttuazioni del campo elettrico circostante, che continuamente aumenta l'energia cinetica media degli ioni. Raffreddamento a laser basato su effetto Doppler può essere utilizzato per rimuovere l'eccesso di energia dal movimento degli ioni. La figura 2 Mostra i diagrammi semplificati di livello di energia di un ione di Yb+ 174e un atomo neutro 174di Yb. Doppler raffreddamento di 174Yb+ ioni richiede un 369,5-nm e un laser di 935-nm, mentre foto-ionizzazione degli atomi Yb neutro 174richiede un laser 399-nm. Punti 2.2 e 2.3 descrivono un metodo efficiente per allineare questi laser per il chip di superficie trappola ionica e una procedura per trovare le giuste condizioni per foto-ionizzazione. Dopo i componenti ottici ed elettrici sono preparati, intrappolando gli ioni è relativamente semplice. La sequenza sperimentale per gli ioni dell'intrappolamento è presentata al punto 2.4.

<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

Gli ioni intrappolati in un quadripolo trappola Paul sono stati considerati uno dei candidati fisici forti per implementare l'elaborazione di informazione quantistica. Ciò è dovuto il loro tempo di coerenza lungo e la loro capacità di manipolare e rilevare bit quantistici individuali (qubit). In anni più recenti, microfabbricati superficie trappole ioniche hanno ricevuto maggiore attenzione per le piattaforme di qubit integrata su larga scala. Questa carta presenta una metodologia di microfabbricazione per trappole ioniche utilizzando la tecnologia di sistema micro-elettro-meccanici (MEMS), compreso il metodo di fabbricazione per un 14 µm di spessore strato dielettrico e metallo sporgenza strutture in cima lo strato dielettrico. In aggiunta, una procedura sperimentale per intrappolare ioni di itterbio (Yb) dell'isotopo 174 (174Yb+) utilizzando 369,5 nm, 399 nm, e 935 nm diodo laser è descritto. Queste metodologie e procedure coinvolgono molte discipline scientifiche e ingegneristiche, e questa carta presenta in primo luogo le procedure sperimentali. I metodi descritti in questa carta possono essere facilmente esteso per l'intrappolamento di ioni Yb dell'isotopo 171 (171Yb+) e per la manipolazione di qubits.

La figura 7 Mostra i micrografi scansione (SEM) del chip fabbricato trappola ionica. La RF elettrodi, elettrodi DC interni, esterno DC elettrodi e fessura di caricamento sono stati fabbricati con successo. Il profilo della parete laterale del pilastro dielettrico è diventato irregolare perché l'ossido PECVD è stato depositato in diversi passaggi. I molteplici passaggi di deposizione sono stati utilizzati per ridurre al minimo gli effetti delle tensioni residue da film di ossido spessa. Questo è ulteriormente descritto nella discussione.

Figura 8 Mostra l'immagine EMCCD di cinque 174Yb+ ioni intrappolati utilizzando il chip di trappola ionica microfabbricati. Gli ioni intrappolati possono durare per più di 24 h con Doppler continuo raffreddamento. Il numero di ioni intrappolati può essere regolato tra 1 e 20 modificando il set di tensione DC applicato. Questa messa a punto sperimentale è molto affidabile e robusto e attualmente è stato in funzione per 50 mesi.
Figura 9 Mostra la marcia degli ioni intrappolati lungo la direzione assiale. La posizione di ioni nella Figura 9b è spostata da quella in figura 9a attraverso la regolazione della posizione del minimo potenziale DC modificando le tensioni CC.
La figura 10 Mostra i risultati preliminari di Rabi oscillazione esperimenti con un ione di Yb+ 171. Per ottenere i risultati, sono state utilizzate le configurazioni aggiuntive descritte nel Documento complementare . I risultati sono stati inclusi per mostrare una potenziale applicazione del setup sperimentale spiegato in questo documento.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Figura 1: schematico della presa dello ione superficie. (un) il rosso punti rappresentano gli ioni intrappolati. Gli elettrodi di marroni e gialli indicano gli elettrodi RF e DC, rispettivamente. Le frecce grigie indicano la direzione del campo elettrico durante la fase positiva della tensione RF. Si noti che lo schema non viene disegnato in scala. dimensioni (b) verticale della struttura dell'elettrodo. dimensioni (c), il laterale della struttura dell'elettrodo. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Figura 2: Diagrammi di livello di energia semplificati di un ione di Yb+ 174e un atomo neutro 174di Yb. (a) quando un 369,5 nm laser è depotenziato a lato rosso (bassa frequenza) della risonanza, una transizione in bicicletta tra 2P1/2 e 2S1/2 riduce l'energia cinetica dello ione a causa l'effetto Doppler effetto. Occasionalmente, un rapporto di ramificazione piccolo ma finito rende il decadimento dell'elettrone da 2P1/2 a 2D3/2, e un laser di 935-nm è tenuto a restituire l'elettrone torna alla transizione principale in bicicletta. L'elettrone può anche decadere in uno stato di7/2 2F una volta all'ora, in media e un laser nm 638 si può pompare fuori dallo stato di7/2 2F, ma questo non è necessario per un semplice sistema38. I valori nella notazione ket rappresentano le proiezioni del momento angolare totale J lungo l' asse di quantizzazione m.J. (b) per ionizzare atomi neutri evaporati dal forno, un processo di assorbimento a due fotoni è stato usato39. Un laser di nanometro 399 eccitato un elettrone a 1P1 stato, e il fotone 369.5 nm per raffreddamento Doppler aveva più energia del necessario per rimuovere l'elettrone eccitato dal ione. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Figura 3: flusso del processo di fabbricazione di una superficie trappola ionica. (un) termico ossidazione a crescere un 5.000 Å spessore SiO2 livello e LPCVD di uno strato di 2.000 Å spessore Si3N4 . (b) deposizione e ICP acquaforte di uno strato di Al sputtered di 1,5 µm di spessore. (c), deposizione di un 14 strato2 SiO di µm di spessore su entrambi i lati del wafer utilizzando processi PECVD. (d) Patterning 14 µm di spessore SiO2 strato depositato sulla parte anteriore del wafer utilizza un processo RIE (e) di Patterning del 14 µm-spessore SiO2 strato depositato sul retro del wafer utilizza un processo RIE. (f), deposizione di un 1.5 µm spessore polverizzato Al layer e uno strato di2 di 1 µm di spessore PECVD SiO. processo di Patterning del 1,5 µm di spessore Al livello utilizza un processo ICP e 1 µm di spessore SiO2 livello utilizzando un RIE (g). (h) Patterning del 14 µm-spessore SiO2 strato depositato sulla parte anteriore del wafer utilizza un processo RIE. (i) processo di Patterning 5.000 Å spessore SiO2 strato di e 2.000 Å di spessore Si3N4 livello utilizzando un RIE. (j), DRIE del substrato di silicio 450 µm dal retro del wafer. (k) bagnato-acquaforte del SiO2 livello sugli elettrodi Al e le pareti laterali dei pilastri dielettrici. (l) penetrazione del substrato di silicio dalla parte anteriore attraverso un processo DRIE. Si noti che gli schemi non vengono disegnati in scala. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Figura 4: un esempio della tensione DC impostata usata per intrappolare gli ioni. Le tensioni applicate per i binari interni possono compensare per il campo elettrico asimmetrico in direzione orizzontale per inclinare gli assi principali del potenziale totale nel piano trasversa. La frequenza di trappola assiale generata dall'insieme di tensione è stato 550 kHz. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Ether.within-pagina = "1" &gt;<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Figura 5: schematica dell'apparato ottico. Tre diodi laser sono allineati per sovrapporsi alla posizione di cattura. Finestra ad incasso della camera UHV consente l'imaging obiettivo di essere collocato più vicino possibile al chip in superficie. Un flip-specchio posizionato tra la lente imaging e il EMCCD consente il monitoraggio selettivo della fluorescenza dello ione utilizzando un tubo di fotone moltiplicato (PMT) o un EMCCD. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Figura 6: immagini dell'apparato ottico costruito. (un) A bobina è avvolta intorno finestra anteriore della camera per generare un campo magnetico, che può rompere i livelli di energia degenerati di ioni di itterbio. (b), l'installazione di ottica per sterzo i 399 nm e 935 nm travi. Le linee rosse e verdi indicano il percorso del fascio della 935 nm e 399 laser nm, rispettivamente. (c) la configurazione dell'imaging sistema, tra cui il flip-mirror, la lente di imaging, il EMCCD e il pagam. Il percorso della fluorescenza emessa da ioni intrappolati può essere determinato dal flip-specchio. Le frecce verdi e bianche indicano il percorso della fluorescenza quando monitorati dal EMCCD e la PMT, rispettivamente. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Figura 7: risultati di fabbricazione della presa dello ione superficie. (un) Panoramica del layout del circuito integrato. (b) una vista ingrandita del layout del circuito integrato, che mostra il più elettrodi DC esterni. (c) una vista ingrandita del layout di chip, che mostra la fessura di caricamento. (d) una sezione trasversale vista della regione dell'intrappolamento prima di penetrare la fessura di caricamento. (e) una sezione trasversale vista della regione dell'intrappolamento dopo avere penetrato la fessura di caricamento. (f) A ingrandita vista di sezione trasversale del pilastro dell'ossido. I pilastri di ossido sono frastagliate pareti, e le lunghezze dello sbalzo non sono sufficienti, che è attribuito al tasso etch non uniforme del SiO2 in corrispondenza delle interfacce tra i separatamente depositato 3,5 µm di spessore SiO2 strati. (g), una vista dall'alto di un rilievo di wire-bonding di un elettrodo di DC. (h), A vista di sezione trasversale di una via. Profili inclinati dei pilastri ossido consentono il collegamento dell'elettrodo DC e lo strato di terra durante la deposizione dello strato sul fianco del pilastro ossido invece di riempimento la via i fori con un processo di elettrodeposizione. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Figura 8: immagine An EMCCD di cinque ioni di Yb+ 174intrappolati sul chip trappola ionica microfabbricati. L'immagine della struttura dell'elettrodo superficiale trappola è stata presa separatamente, e le immagini dello ione intrappolato e degli elettrodi sono state combinate per chiarezza. La leggenda di intensità si applica solo ai pixel nella casella. La freccia spessa indica il percorso del fascio del laser 369.5 nm e le frecce sottili rappresentano i componenti x e z della quantità di moto del fotone. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Figura 9: regolazione del potenziale assiale degli ioni intrappolati in una catena lineare. (un) sette ioni al centro della trappola. (b) gli ioni sono stati trasportati decine di micrometri. (c) la stringa di ioni spremuto in direzione assiale. Questa figura è meglio visto come un film, che è caricato separatamente. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Figura 10: Risultati sperimentali di oscillazioni di Rabi tra i | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> e | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Stati. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> è definito come il 2S1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> statale dello ione 171Yb+ , e | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> è definito come il 2S1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> stato. L'oscillazione di Rabi è indotta da un forno a microonde 12,6428-GHz. Bloch sfere sopra la trama mostrano gli stati quantici corrispondenti ai tempi differenti. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Documento supplementare: <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo documento.</a>

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Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Questa carta presenta una metodologia di microfabbricazione per superficie trappole ioniche, nonché una dettagliata procedura sperimentale per gli ioni di itterbio di intrappolamento in un ambiente di temperatura.

Metodi sperimentali per intrappolare gli ioni utilizzando microfabbricati trappole ioniche in superficie

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 Views.  Seoul National University. Questa carta presenta una metodologia di microfabbricazione per superficie trappole ioniche, nonché una dettagliata procedura sperimentale per gli ioni di itterbio di intrappolamento in un ambiente di temperatura.

Video: 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.

Trapping ottica di nanoparticelle

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 ...

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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.

Un Microfluidic basato Trappola idrodinamico per particelle singole

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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.

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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.

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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 Isotachophoresis per separazione degli ioni e purificazione di acidi nucleici

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.

Ohmico Fabrication contatto con una tecnica Focused Ion Beam-e caratterizzazione elettrica per strato semiconduttore Nanostrutture

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.

Microfluidica Gabbie pneumatici: un nuovo approccio per In-chip di cristallo Trapping, manipolazione e trattamento chimico Controlled

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.

Optical Trappola Caricamento di dielettrico microparticelle in aria

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.

Plasmonico cattura e rilascio di nanoparticelle in un ambiente di monitoraggio

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.

Microelettrodi doppia canna e concentrico per la misurazione di extracellulare Ion Segnali in tessuto cerebrale

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

Neuroscienze

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.

Iontoforesi in tempo reale con tetrametilammonio per quantificare la frazione del volume e la tortuosità dello spazio extracellulare del cervello

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