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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps at JoVE.com

本研究は、情報通信技術、科学省で部分的に支持され、将来計画 (MSIP), 韓国, 情報技術研究センター (ITRC) 下サポート プログラム (IITP-2017-2015-0-00385) と ICT R &#38; D プログラム (10043464、開発の情報研究所監修量子中継器の技術通信システムへの応用), &#38; 通信技術振興 (IITP)。

<ol>
	<li>Wineland, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nobel+Lecture:+Superposition,+entanglement,+and+raising+Schr&#246;dinger's+cat.">Nobel Lecture: Superposition, entanglement, and raising Schr&#246;dinger's cat.</a> Rev Mod Phys. 85 (3), 1103 (2013).</li><li>Blatt, R., Wineland, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Entangled+states+of+trapped+atomic+ions.">Entangled states of trapped atomic ions.</a> Nature. 453 (7198), 1008-1015 (2008).</li><li>Leibfried, D., Blatt, R., Monroe, C., Wineland, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+dynamics+of+single+trapped+ions.">Quantum dynamics of single trapped ions.</a> Rev Mod Phys. 75 (1), 281 (2003).</li><li>Paul, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromagnetic+traps+for+charged+and+neutral+particles.">Electromagnetic traps for charged and neutral particles.</a> Rev Mod Phys. 62 (3), 531 (1990).</li><li>Rosenband, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+ratio+of+Al++and+Hg++single-ion+optical+clocks;+metrology+at+the+17th+decimal+place.">Frequency ratio of Al+ and Hg+ single-ion optical clocks; metrology at the 17th decimal place.</a> Science. 319 (5871), 1808-1812 (2008).</li><li>Dawson, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Quadrupole mass spectrometry and its applications. , (2013).</li><li>Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+computers.">Quantum computers.</a> Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).</li><li>Monz, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+a+scalable+Shor+algorithm.">Realization of a scalable Shor algorithm.</a> Science. 351 (6277), 1068-1070 (2016).</li><li>Debnath, S., Linke, N. M., Figgatt, C., Landsman, K. A., Wright, K., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demonstration+of+a+small+programmable+quantum+computer+with+atomic+qubits.">Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits.</a> Nature. 536 (7614), 63-66 (2016).</li><li>Blatt, R., Roos, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+simulations+with+trapped+ions.">Quantum simulations with trapped ions.</a> Nature Phys. 8 (4), 277-284 (2012).</li><li>Kielpinski, D., Monroe, C., Wineland, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Architecture+for+a+large-scale+ion-trap+quantum+computer.">Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer.</a> Nature. 417 (6890), 709-711 (2002).</li><li>Moehring, D. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design,+fabrication+and+experimental+demonstration+of+junction+surface+ion+traps.">Design, fabrication and experimental demonstration of junction surface ion traps.</a> New J Phys. 13 (7), 075018 (2011).</li><li>Wright, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliable+transport+through+a+microfabricated+X-junction+surface-electrode+ion+trap.">Reliable transport through a microfabricated X-junction surface-electrode ion trap.</a> New J Phys. 15 (3), 033004 (2013).</li><li>Amini, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+scalable+ion+traps+for+quantum+information+processing.">Toward scalable ion traps for quantum information processing.</a> New J Phys. 12 (3), 033031 (2010).</li><li>Sterling, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+operation+of+a+two-dimensional+ion-trap+lattice+on+a+high-voltage+microchip.">Fabrication and operation of a two-dimensional ion-trap lattice on a high-voltage microchip.</a> Nat Commun. 5, (2014).</li><li>Kumph, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Operation+of+a+planar-electrode+ion-trap+array+with+adjustable+RF+electrodes.">Operation of a planar-electrode ion-trap array with adjustable RF electrodes.</a> New J Phys. 18 (2), 023047 (2016).</li><li>Mielenz, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Arrays+of+individually+controlled+ions+suitable+for+two-dimensional+quantum+simulations.">Arrays of individually controlled ions suitable for two-dimensional quantum simulations.</a> Nat Commun. 7, (2016).</li><li>Stick, D., Hensinger, W. K., Olmschenk, S., Madsen, M. J., Schwab, K., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion+trap+in+a+semiconductor+chip.">Ion trap in a semiconductor chip.</a> Nat Phys. 2 (1), 36-39 (2006).</li><li>Harty, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-fidelity+preparation,+gates,+memory,+and+readout+of+a+trapped-ion+quantum+bit.">High-fidelity preparation, gates, memory, and readout of a trapped-ion quantum bit.</a> Phys Rev Lett. 113 (22), 220501 (2014).</li><li>Cho, D., Hong, S., Lee, M., Kim, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+silicon+microfabricated+ion+traps+for+quantum+information+processing.">A review of silicon microfabricated ion traps for quantum information processing.</a> Micro Nano Sys Lett. 3 (1), 1-12 (2015).</li><li>Weidt, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapped-ion+quantum+logic+with+global+radiation+fields.">Trapped-ion quantum logic with global radiation fields.</a> Phys Rev Lett. 117 (22), 220501 (2016).</li><li>Monroe, C., Kim, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaling+the+ion+trap+quantum+processor.">Scaling the ion trap quantum processor.</a> Science. 339 (6124), 1164-1169 (2013).</li><li>Brown, K. R., Kim, J., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Co-designing+a+scalable+quantum+computer+with+trapped+atomic+ions.">Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions.</a> npj Quantum Inf. 2, 16034 (2016).</li><li>Lekitsch, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blueprint+for+a+microwave+trapped-ion+quantum+computer.">Blueprint for a microwave trapped-ion quantum computer.</a> Science Adv. 3 (2), e1601540 (2017).</li><li>Reichel, J., Vuletic, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Atom chips. , (2011).</li><li>Ghosh, P. K., ed, ,. 1. s. t. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ion Traps. , (1995).</li><li>Wesenberg, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatics+of+surface-electrode+ion+traps.">Electrostatics of surface-electrode ion traps.</a> Phys Rev A. 78 (6), 063410 (2008).</li><li>House, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analytic+model+for+electrostatic+fields+in+surface-electrode+ion+traps.">Analytic model for electrostatic fields in surface-electrode ion traps.</a> Phys Rev A. 78 (3), 033402 (2008).</li><li>Hong, S., Lee, M., Cheon, H., Kim, T., Cho, D. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Guidelines+for+Designing+Surface+Ion+Traps+Using+the+Boundary+Element+Method.">Guidelines for Designing Surface Ion Traps Using the Boundary Element Method.</a> Sensors. 16 (5), 616 (2016).</li><li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implementation+of+a+symmetric+surface-electrode+ion+trap+with+field+compensation+using+a+modulated+Raman+effect.">Implementation of a symmetric surface-electrode ion trap with field compensation using a modulated Raman effect.</a> New J Phys. 12 (5), 053026 (2010).</li><li>Chiaverini, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-electrode+architecture+for+ion-trap+quantum+information+processing.">Surface-electrode architecture for ion-trap quantum information processing.</a> Quantum Inf Comput. 5 (6), 419-439 (2005).</li><li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heating+rate+and+electrode+charging+measurements+in+a+scalable,+microfabricated,+surface-electrode+ion+trap.">Heating rate and electrode charging measurements in a scalable, microfabricated, surface-electrode ion trap.</a> Appl Phys B. 107 (4), 913-919 (2012).</li><li>. Demonstration of a microfabricated surface electrode ion trap Available from: <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1008.0990">https://arxiv.org/abs/1008.0990</a> (2010)</li><li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduction+of+heating+rate+in+a+microfabricated+ion+trap+by+pulsed-laser+cleaning.">Reduction of heating rate in a microfabricated ion trap by pulsed-laser cleaning.</a> New J Phys. 13 (12), 123023 (2011).</li><li>Mount, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+qubit+manipulation+in+a+microfabricated+surface+electrode+ion+trap.">Single qubit manipulation in a microfabricated surface electrode ion trap.</a> New J Phys. 15 (9), 093018 (2013).</li><li>Siverns, J. D., Simkins, L. R., Weidt, S., Hensinger, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+application+of+radio+frequency+voltages+to+ion+traps+via+helical+resonators.">On the application of radio frequency voltages to ion traps via helical resonators.</a> Appl Phys B. 107 (4), 921-934 (2012).</li><li>Kleinert, M., Dahl, M. E. G., Bergeson, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+Yb+I+1S0&#8722;1P1+transition+frequency+at+399+nm+using+an+optical+frequency+comb.">Measurement of the Yb I 1S0&#8722;1P1 transition frequency at 399 nm using an optical frequency comb.</a> Phys Rev A. 94 (5), 052511 (2016).</li><li>Olmschenk, S., Younge, K. C., Moehring, D. L., Matsukevich, D. N., Maunz, P., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manipulation+and+detection+of+a+trapped+Yb++hyperfine+qubit.">Manipulation and detection of a trapped Yb+ hyperfine qubit.</a> Phys Rev A. 76 (5), 052314 (2007).</li><li>Sansonetti, J. E., Martin, W. C., Young, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Data. , (2013).</li><li>Kern, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Thin film processes II. , (2012).</li><li>Streed, E. W., Weinhold, T. J., Kielpinski, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+stabilization+of+an+ultraviolet+laser+to+ions+in+a+discharge.">Frequency stabilization of an ultraviolet laser to ions in a discharge.</a> Appl Phys Lett. 93 (7), 071103 (2008).</li></ol>

著者が明らかに何もありません。

本稿は、微細加工表面イオン トラップを用いたイオンをトラップする方法を提示しました。イオン トラップ システムの構築は、様々 な分野での経験が必要ですが、以前詳細に記載されていません。本稿は、microfabricating 初めてのイオンをトラップする実験装置の構築に関してはトラップ チップと同様の詳細な手順を提供しました。本稿では、 174Yb+イオンをトラップし、トラップされたイオンの実験手順の詳細も提供。
微細加工の手順で直面している重要な障害は、以上 10 μ m の厚さの誘電体層の堆積です。厚さの誘電体層の成膜過程では、誘電体膜への損傷が発生したりウェハを破るも、残留応力を構築できます。一般的に圧縮である残留応力を低減するには、遅い堆積速度は使用される40をする必要があります。私たちのケースで 110.4 MPa の圧縮応力は SiH4ガス流量、140 W の RF 電源、5 μ m の膜厚での圧力の 1.9 Torr の 540 sccm の成膜条件で測定しました。ただし、これらのプロセス条件は以来、別の機器のこれらの条件が大きく異なることが、大まかな参照を提供します。蓄積されたストレスの影響を減らすために 3.5 μ m 厚 SiO2フィルムは提案手法におけるウェハの両側に隣り合う沈殿させた。もし小さい RF 電圧振幅に誘電体層の必要厚さを減らすことが、それゆえ浅いトラップ深さが選択されます。しかし、浅いトラップ深さはより高い RF 電圧に耐えることができるより厚いの誘電体層の作製が望ましいので, イオンのエスケープに簡単に します。
本稿で作製する方法にいくつかの制限があります。図 7 fに示すように、オーバー ハングの長さが完全にトラップされたイオンから誘電体の側壁を非表示にするための十分です。さらに、酸化物柱のそで壁がギザギザ酸化物垂直柱と比較して誘電体の側壁の露出部分が増えます。たとえば、インナー DC レールで 5 μ m の均一なオーバー ハング ロード スロット近くの側壁の場合、誘電体表面の 33% が垂直の側壁の捕捉イオン位置にさらされていることが計算されます。ギザギザのエッジの場合、側壁領域の 70% 以上が公開されます。これらの非理想的な加工結果は公開されている誘電体から追加の浮遊フィールドを引き起こすことができるが、効果が定量的に測定されていません。それにもかかわらず、報告として上記の試作したチップは、イオン トラップと量子ビット操作実験で正常に使用されています。さらに、本稿で提示トラップ チップはロード スロット近くシリコン側壁を公開しています。自然酸化膜は、シリコン表面上に成長することができ、浮遊の追加フィールドになります。したがって、33のように、追加の金属層を有するシリコン基板を保護することをお勧めします。
174Yb+イオンをトラップするレーザーの周波数が数十 MHz の内で安定した、高度なセットアップ38,41でいくつかの異なる方法を説明しています。ただし、本稿で説明した簡単なセットアップのため初期捕捉だけでは波長計を用いた安定化です。
本稿では、微細加工表面のイオン トラップ チップを用いた174Yb+イオンをトラップするためのプロトコルが用意されています。171Yb+イオンをトラップするためのプロトコルは特に説明しませんが本稿に記載されている実験のセットアップも使用できます171Yb+イオンをトラップして171 の量子状態を操作するにはYb+イオン ラビ振動結果 (図 10に示すように) を取得します。これは、レーザーの出力にいくつかの光変調器を追加することによって、補足文書に記載された電子レンジ セットアップを使用して行うことができます。
結論としては、実験の方法と結果について述べるは、表面のイオン トラップを用いた様々 な量子情報アプリケーションの開発に使用できます。

ポール トラップすることができます静的な電界と電気のさまざまなフィールド無線周波数 (RF) で振動の組み合わせを使用して、空の領域でのイオンを含む荷電粒子を閉じ込めるし、トラップに閉じ込められたイオンの量子状態を測定することができ、1,2,3を制御します。このようなイオン トラップはもともと光時計と質量分析法4,5,6など、正確な計測アプリケーション開発されました。近年、これらのイオン トラップも検討されている積極的に超高で理想的な絶縁, 長いコヒーレンス時間などイオンの望ましい特性に起因する量子情報処理を実装するための物理プラットフォームとして真空 (UHV) 環境と個々 の量子ビット操作7,8,9,10の可能性。以来 Kielpinskiら。11 1312,トラップ ジャンクション、マルチゾーン トラップ チップ142 d 配列など、表面トラップの様々 なタイプの量子コンピューターの開発に使用できるスケーラブルなイオン トラップを提案トラップ1516,17,,は、半導体プロセスから派生した微細加工方法18,19,20,21 を使用して開発されています。.大規模量子情報処理システムの表面に基づいてトラップもされては、22,23,24を説明します。
微細加工表面イオン トラップを用いたイオンをトラップする実験方法を提案する.具体的には、表面のイオン トラップとイオンをトラップする加工のトラップを使用する詳細な手順を製造するための手順を説明します。さらに、実験システムをセットアップし、イオンをトラップの様々 な実践的なテクニックの詳細な説明は、補足文書に備わります。
Microfabricating のための方法論表面イオン トラップは、ステップ 1 で与えられます。表面のイオン トラップの簡略図を図 1に示します。横断面の電極に適用される電圧によって生成される電場も25のとおりです。RF 電極のペアに RF 電圧を適用すると、他のすべての電極が RF グラウンド; で保たれてRF 電圧によって生成されたポンデラモーティブ潜在的な26は、ラジアル方向にイオンを閉じ込めた。RF 電極外複数直流電極に直流 (DC) の電圧は、長手方向にイオンを閉じ込めます。RF 電極間インナー レールは横断面の総合的な潜在能力の主軸を傾けるようにデザインされています。DC 電圧のセットを設計するための方法論は、補足文書に含まれます。さらに、表面のイオン トラップ チップの重要な幾何学的パラメーターの設計の詳細については、27,28,29,30,31見つけることが。
ステップ 1 で導入された製造方法は、次の側面を考慮した設計されました。まず、電極層とグラウンド層間絶縁層は層間の絶縁破壊を防ぐために十分に厚くする必要があります。一般的に、厚さは 10 μ m 以上にする必要があります。厚さの誘電体層の堆積中蒸着膜の残留応力はお辞儀基板の蒸着膜への損傷を引き起こす可能性が。したがって、残留応力を制御すると、表面のイオン トラップの製造の主要な方法の 1 つです。第二に、浮遊充満によって誘導されうる誘電体材料の散乱紫外線 (UV) レーザー、イオンのランダム シフトでターン結果に位置するためイオン位置に誘電性の表面の露出を最小限にする必要があります。露出部は、オーバー ハングの電極構造を設計することにより削減できます。それは、表面電極突出し量が典型的な実験条件32充電に耐性のあるイオン トラップが報告されています。第三に、様々 な蒸着膜を含むすべての材料は 200 ° C の約 2 週間、ベーキングに耐えることができるはずし、のすべての材料からのアウトガス量は超高真空環境に対応する必要があります。本稿で表面のイオン トラップ チップの微細加工のデザインは33、様々 な実験32,33,34、で正常に使用されていたからトラップ デザインに基づいて35. このデザインは、チップの真ん中にスロットのトラップの写真電離後である中性原子の読み込み。
イオン トラップ チップの作製後、チップはマウント、金ボンディング ワイヤを使用してチップ キャリアに電気的に接続します。超高真空チャンバーでは、チップ キャリアがインストールされます。補足資料は、トラップ チップ パッケージ、超高真空チャンバーの設計を準備するための詳細な手順を提供しています。
イオンをトラップする、実験の手順と同様に、光・電気機器の準備、手順 2 で詳しく説明します。潜在的なポンデラモーティブに捕捉されたイオン イオンの平均の運動エネルギーが増加継続的に周囲の電界の変動にさらされています。ドップラー シフトに基づくのレーザー冷却イオンの動きから余分なエネルギーを削除する使用できます。174Yb+イオンおよび中立174Yb 原子の簡略化されたエネルギー準位図を図 2に示します。174Yb+イオンのドップラー冷却すると、399 nm レーザーに中立174Yb 原子の光イオン化の必要がありますがの 369.5 nm レーザーと 935 nm レーザーを必要です。2.2 と 2.3 の手順では、これらのレーザー光イオン化のための適切な条件を検索する手順と、表面のイオン トラップ チップに合わせて効率的な方法について説明します。光/電気コンポーネントを準備した後イオンを捕集することは比較的簡単です。手順 2.4 でイオンをトラップするに実験的シーケンスが表示されます。

<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

四重極ポール トラップに捕捉されたイオンは、量子情報処理を実装する厳密な物理的な候補の一つを考慮しています。これは彼らの長いコヒーレンス時間と操作および個々 の量子ビット (キュービット) を検出する彼らの機能のためです。近年、微細加工表面イオン トラップは大規模統合量子ビットのプラットフォーム用のより多くの注意を受けています。微小電気機械システム (MEMS) の技術を使用してイオン トラップの微細加工方法について述べる、14 μ m の厚さの誘電体層と金属の作製法を含む誘電体の層の上に構造物をオーバー ハングします。また、イッテルビウム (Yb) 同位体 174 (174Yb+) を用いたイオン 369.5 のトラップ実験手順 399 nm nm、935 nm ダイオード レーザーの説明と。これらの方法およびプロシージャを含む多くの科学と工学の分野や詳細な実験手順最初稿します。本稿で説明した方法は、同位体 (171Yb+) 171 Yb イオンの捕捉し、量子ビットの操作に簡単に拡張することができます。

図 7は、作製したイオン トラップ チップの走査型電子顕微鏡 (SEM) を示しています。RF 電極、直流電極の内側、外側の直流電極、ロード スロットは正常に作製しました。誘電体柱の側壁プロファイルは、プラズマ cvd による酸化物はいくつかの手順で沈殿したのでギザギザになった。複数の蒸着ステップは厚い酸化膜による残留応力の影響を最小限に抑えるために使用されました。これは議論でさらに説明されます。

5 174Yb+イオンを微細イオン トラップ チップを使用してトラップの EMCCD イメージを図 8に示します。トラップされたイオンは、冷却連続ドップラーで 24 時間以上続くことができます。トラップされたイオンの数は、1 から 20 の間応用 DC 電圧設定を変更することによって調整できます。この実験のセットアップは非常に信頼性と堅牢性を現在 50 ヶ月間運営されています。
図 9は、軸方向にトラップされたイオンの往復を示しています。図 9b内イオンの位置は、DC 電圧を変更することによって DC の潜在的な最小の位置の調整を図 9 aでから避難です。
図 10は、 171Yb+イオンとラビ振動実験の予備的な結果を示しています。結果を得るためには、補足文書に記載されている追加の設定が使用されました。結果は、本稿で説明した実験装置の潜在的なアプリケーションを表示する含まれていた。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
図 1: 表面のイオン トラップのスケマティック。(、)、赤のドットは、トラップされたイオンを表しています。茶色と黄色の電極は、RF と DC の電極をそれぞれ示します。灰色の矢印は、RF 電圧の肯定的な段階で電界の方向を示します。回路図は描画されません注意してくださいスケール。(b) 垂直寸法の電極構造。(c) 横方向の電極構造の寸法。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
図 2:174 Yb+イオンおよび中立174Yb 原子のエネルギー準位図を簡略化。共鳴の赤側 (低周波数) に (、) とは 369.5 nm レーザーをデチューン、サイクリング、切り替え2P1/2および2S1/2ドップラーのためのイオンの運動エネルギーの削減効果。時折、小さいが有限の分岐比は2D3/2 2P1/2から電子の減衰を 935 nm レーザーが主のサイクリングの転移に戻る電子に必要があります。電子することができます平均では、1 時間ごとに2F7/2状態に崩壊も、638 nm レーザーは2F7/2状態からそれを汲み出すことができるシンプルなシステム38の必要はありません。ケット表記の値は、量子化軸mJに沿って合計角運動量Jの投影を表します。(b) オーブン、2 光子吸収過程から蒸発した中性の原子を電離することは使用される39だった399 nm レーザー励起1P1状態に電子とドップラー冷却 369.5 nm 光子励起電子をイオンから取り外す必要よりより多くのエネルギーを持っていた。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
図 3: 表面のイオン トラップの製造プロセス フローします。5,000 Å 厚 SiO2層と LPCVD 2,000 Å 厚 Si3N4層の成長 (、) 熱酸化。1.5 μ m 厚スパッタ Al 層の (b) の沈着と ICP エッチング。(c)、14 の沈着 μ m 厚 SiO2層プラズマ CVD プロセスを用いた基板の両側。(d) RIE プロセス (e) を用いたウエハの前面に堆積 14 μ m 厚 SiO2層のパターン形成 14 μ m 厚 SiO2層のパターニング RIE プロセスを用いた基板の背面に堆積します。(f) の 1.5 μ m の厚さは、Al 層と 1 μ m 厚 PECVD SiO2層をスパッタしました。(g) ICP プロセスを用いた 1.5 μ m 厚 Al 層と、RIE を用いた 1 μ m 厚の SiO2層のパターニングを処理します。(h) 14 μ m 厚 SiO2層のパターン形成は RIE プロセスを用いた基板の前面に堆積しました。(私) 5,000 Å 厚 SiO2層と、RIE を用いた 2,000 Å 厚 Si3N4層のパターンを処理します。(j) シリコン基板 450 の DRIE μ m ウェハの背面から。(k) Al 電極と誘電体柱の側壁に SiO2層のエッチング。(l) DRIE プロセスを介してフロントからシリコン基板の浸透。回路図は描画されません注意してくださいスケール。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
図 4: イオンをトラップするのに使われる DC 電圧の例。インナー レールに適用される電圧は横断面の総合的な潜在能力の主軸を傾斜を水平方向に非対称の電界を補うことができます。電圧設定によって生成された軸トラップ頻度は、550 kHz だった。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
ether.within ページ =「1」><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
図 5: 光のセットアップのスケマティック。3 つのダイオード レーザーは、トラッピングの位置に重複に配置されます。超高真空チャンバーの引込められたビューポートにより配置する結像レンズ表面のチップにできるだけ近い。フリップ ミラー イメージング レンズと、EMCCD にはさまれた掛けた光子管 (PMT) を用いたイオン蛍光の選択的監視を可能または、EMCCD。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
図 6: 構築の光のセットアップの画像。イッテルビウム イオンの縮退のエネルギー レベルを破ることができる磁気フィールドを生成する商工会議所のフロント ビューポートの周囲 (、) A コイルでは。(b) ステアリング、399 の光のセットアップ nm と 935 nm 梁。赤と緑の線は、935 のビームのパスを示す nm と 399 nm のレーザー、それぞれ。(c) 画像の構成システム、フリップ ミラー、結像レンズ、EMCCD、PMT. などフリップ ミラーによってトラップされたイオンから放出される蛍光のパスを決定できます。緑と白の矢印は、それぞれ、EMCCD と、光電子増倍管によって監視されているときに蛍光性のパスを示します。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
図 7: 表面のイオン トラップの試作結果。(、) チップ レイアウトの概要。(b) は、複数の外部直流電極チップ レイアウトの拡大図。(c) は、ロード スロット チップ レイアウトの拡大図。(d) 横断ロード スロットを貫通する前にトラッピング領域のビュー。(e) 横断ロード スロットを貫通した後トラッピング領域のビュー。(f) A は酸化物柱の断面図を拡大しました。酸化物の柱が、壁にぎざぎざしているし、オーバー ハングの長さが十分な個別に堆積の 3.5 μ m 厚 SiO2層の界面 SiO2の不均一エッチング速度に帰せられます。(g) A 直流電極のワイヤ ボンディング パッドの平面図です。断面図で A (h) を経由。充填ではなく酸化物柱の側壁に Al 層の堆積の間に直流電極と接地層の接続を可能にする酸化物柱の傾斜プロファイル、電気めっきプロセスの穴を介して。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
図 8: 微細イオン トラップ チップに閉じ込められて 5 174Yb+イオンの EMCCD イメージ。表面トラップ電極構造のイメージは別々 に取られ、トラップされたイオンの電極の画像はわかりやすくするため結合されました。強度の伝説は、ボックスにピクセルにのみ適用されます。太い矢印 369.5 nm レーザのビーム パスと薄い矢印が光子の運動量の x および z 成分を表します。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
図 9: 直鎖でトラップされたイオンの軸の可能性を調整します。(、) 7 イオン トラップの中心に。(b) イオンされたシャトル数十 μ m。(c) イオン文字列は、軸方向に圧迫。この図は個別にアップロードされた映画で最高の見た。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
図 10: Rabi 振動の実験結果、| 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> および | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> 状態| 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg">が定義されて2S1/2|。F = 0、mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> 171Yb+イオンの状態および | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg">が定義されて2S1/2|F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg">状態。ラビ振動は、12.6428 GHz マイクロ波によって誘導されます。プロット上のブロッホ球は、異なる時間に対応する量子状態を表示します。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
補足資料:<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">ドキュメントのダウンロードは、こちらをご覧ください</a>。

Watch this Scientific Journal Video about Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps at JoVE.com

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

部屋の温度環境でイッテルビウム イオンをトラップの詳細な実験手順と同様に、表面のイオン トラップの微細加工方法を提案します。

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

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 ビュー.  Seoul National University. 部屋の温度環境でイッテルビウム イオンをトラップの詳細な実験手順と同様に、表面のイオン トラップの微細加工方法を提案します。

ビデオ: 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.

ナノ粒子の光トラッピング

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 ...

工学

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.

単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ

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

生物工学

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.

その場 SIMSおよび質量選択されたイオンのソフトランディングで調製し明確に定義された表面の赤外分光法における

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

化学

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.

イオンの分離及び核酸の精製のためのオンチップ等速電気泳動

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.

レイヤ半導体ナノ構造のための集束イオンビーム技術と電気的評価を使用したオーミックコンタクト製作

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.

マイクロ流体空気圧ケージ：インチップクリスタルトラッピング、操作のための新しいアプローチと管理化学治療

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.

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

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.

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

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.

脳組織における測定細胞外イオンの信号のための、二連と同心微小電極

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

神経科学

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.

脳の細胞外空間の体積分率とねじれを定量するためのテトラメチルアンモニウムによるリアルタイムイオントフォレシス

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

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオントラップ

要約

さらに動画を探す

この動画の章

ナノ粒子の光トラッピング

単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ

その場 SIMSおよび質量選択されたイオンのソフトランディングで調製し明確に定義された表面の赤外分光法における

イオンの分離及び核酸の精製のためのオンチップ等速電気泳動

レイヤ半導体ナノ構造のための集束イオンビーム技術と電気的評価を使用したオーミックコンタクト製作

マイクロ流体空気圧ケージ：インチップクリスタルトラッピング、操作のための新しいアプローチと管理化学治療

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

脳組織における測定細胞外イオンの信号のための、二連と同心微小電極

脳の細胞外空間の体積分率とねじれを定量するためのテトラメチルアンモニウムによるリアルタイムイオントフォレシス

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

要約

さらに動画を探す

この動画の章

ナノ粒子の光トラッピング

単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ

その場 SIMSおよび質量選択されたイオンのソフトランディングで調製し明確に定義された表面の赤外分光法における

イオンの分離及び核酸の精製のためのオンチップ等速電気泳動

レイヤ半導体ナノ構造のための集束イオンビーム技術と電気的評価を使用したオーミックコンタクト製作

マイクロ流体空気圧ケージ：インチップクリスタルトラッピング、操作のための新しいアプローチと管理化学治療

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

脳組織における測定細胞外イオンの信号のための、二連と同心微小電極

脳の細胞外空間の体積分率とねじれを定量するためのテトラメチルアンモニウムによるリアルタイムイオントフォレシス

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオントラップ