이 연구는 과학, 정보 통신의 정부에 의해 부분적으로 지원 하 고 미래 계획 (MSIP), 한국 정보 기술 연구 센터 (ITRC)에서 지원 프로그램 (IITP-2017-2015-0-00385)와 ICT R &#38; D 프로그램 (10043464, 개발의 정보에 대 한 연구소 주관 양자 중계기 기술 통신 시스템에 응용 프로그램에 대 한), &#38; 통신 기술 진흥 (IITP).

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저자는 공개 없다.

이 문서는 트래핑 이온 ﹙ 표면 이온 트랩을 사용 하는 방법을 제시. 이온 트랩 시스템의 건설 다양 한 연구 분야에서 경험을 필요 하지만 이전 세부 사항에서 설명 하지 않는. 이 종이 microfabricating 처음으로 이온을 트래핑 하는 실험적인 체제 구축에 관해서는 뿐만 트랩 칩에 대 한 자세한 절차를 제공 합니다. 이 종이 또한 174Yb+ 이온을 트래핑 하 고 덫을 놓은 이온으로 실험에 대 한 자세한 절차를 제공 합니다.
제작 절차에 직면 하는 중요 한 장애물은 10 µ m의 두께 가진 유 전체 층의 증 착. 두꺼운 유 전체 층의 증 착 과정 중 잔류 응력 유 전체 필름에 손상을 일으킬 수 있는 하거나 심지어는 웨이퍼를 휴식, 구축할 수 있습니다. 일반적으로 압축은, 잔여 스트레스를 줄이기 위해 느린 증 착 속도 사용된40이어야 한다입니다. 우리의 경우 SiH4 가스 유량, 140 W의 RF 전원 및 1.9 Torr 압력에서 5 µ m 두께의 540 sccm의 증 착 조건 110.4 MPa의 압축 스트레스 측정 했다. 그러나, 이러한 프로세스 조건 이후 이러한 조건이 크게 다른 장비에 대 한 다를 수 있습니다만 거친 참조를 제공 합니다. 누적 된 스트레스의 영향을 줄이기 위해 3.5 µ m 두께 SiO2 영화 복선 제시 방법에 웨이퍼의 양쪽에 예금 되었다. 경우 작은 RF 전압 진폭 유 전체 층의 필요한 두께 줄일 수 있습니다 하 고 따라서 얕은 트랩 깊이 선택 됩니다. 그러나, 얕은 트랩 깊이 쉽게 리드 갇힌된 이온의도 주에 그래서 더 높은 RF 전압을 견딜 수 있는 두꺼운 유 전체 층의 제조 더 바람직합니다.
이 문서에 소개 된 제조 방법에는 몇 가지 제한이 있습니다. 그림 7 층에서처럼는 돌출부의 길이 완전히 갇힌된 이온에서 절연 측 벽을 숨기려고 충분 하지 않습니다. 또한, 산화물 기둥의 측 벽 들쭉날쭉한, 수직 산화물 기둥에 비해 절연 측 벽의 노출된 영역을 증가. 예를 들어 5 µ m의 균일 한 오버행 로드 슬롯 근처 내부 DC 레일의 측 벽의 경우 그것은 유 전체 표면의 33% 수직 측 벽의 덫을 놓은 이온 위치에 노출 되어 계산 됩니다. 들쭉날쭉한 가장자리 경우에서 측 벽 면적의 70% 이상 노출 됩니다. 이러한 비 이상적 제조 결과 노출된 유에서 추가 처진 분야를 일으킬 수 있지만 효과 양적 측정 하지는. 그럼에도 불구 하 고, 위의 보고 조작된 칩은 이온 트랩 및 큐 비트 조작 실험에 성공적으로 사용 되었습니다. 또한,이 문서에 소개 된 트랩 칩 로드 슬롯 근처 실리콘 측 벽을 노출 했다. 네이티브 산화 실리콘 표면에 성장할 수 있고 추가 처진 분야에서 발생할 수 있습니다. 따라서,33처럼도 색 되지 않은 금속 레이어 추가 실리콘 기판 보호 하는 것이 좋습니다.
174Yb+ 이온 함정, 몇 수십 MHz, 내 레이저의 주파수를 안정화 하 고 몇 가지 다른 방법에 대해서는 고급 설정38,41에서 설명. 그러나,이 문서에서 설명 하는 간단한 설치 프로그램에 대 한 초기 트래핑은 안정화 파장 미터를 사용 하 여 함께.
이 종이 174Yb+ 이온 ﹙ 표면 이온 트랩 칩을 사용 하 여 트랩 프로토콜을 제공 합니다. 171Yb+ 이온을 트래핑에 대 한 프로토콜은 구체적으로 설명 하지, 하지만이 문서에 설명 된 실험 설정 또한 사용할 수 있습니다 171Yb+ 이온을 트래핑 하 고 171의 큐 비트 상태를 조작 하 Yb+ 이온 결과 얻기 위해 Rabi 진동 ( 그림 10에 표시 된). 이 레이저의 출력에 여러 광학 변조기를 추가 하 여 및 보충 문서에 설명 된 대로 전자 레인지 설치를 사용 하 여 수행할 수 있습니다.
결론적으로, 실험 방법 및 결과이 문서에 소개 된 표면 이온 트랩을 사용 하 여 다양 한 양자 정보 응용 프로그램 개발에 사용할 수 있습니다.

폴 트랩 입자, 정적 전기 필드와 라디오 주파수 (RF), 진동 하는 다양 한 전기 분야의 조합을 사용 하 여 빈 공간에 이온을 포함 한 제한 수 및 함정에 이온의 양자 상태를 측정할 수 있다 고 1,2,3제어. 이러한 이온 트랩 광 시계 및 질량 분광학4,,56을 포함 하 여 정확한 측정 어플리케이션에 대 한 원래 개발 되었다. 최근 몇 년 동안, 이러한 이온 함정 또한 적극적으로 탐험 되어으로 양자 정보 처리를 구현 하는 실제 플랫폼 일관성 시간 오래 같은 덫을 놓은 이온의 바람직한 특성에는 초고에 이상적인 절연 진공 (UHV) 환경, 그리고 개별 큐 비트 조작7,8,,910의 타당성. Kielpinski 외이후. 11 양자 컴퓨터, 표면 트랩, 접합 트랩12,13, 2 차원 배열, 다중 영역 트랩 칩14, 등의 다양 한 종류를 개발 하는 데 사용할 수 있는 확장 가능한 이온 트랩 아키텍처 제안 트랩15,,1617, 반도체 프로세스 파생 제작 방법18,19,20,21 사용 하 여 개발 되었습니다. . 대규모 양자 정보 처리 시스템은 표면에 따라 함정도 있다22,,2324논의.
이 종이 ﹙ 표면 이온 트랩을 사용 하 여 트래핑 이온에 대 한 실험 방법을 제공 합니다. 좀 더 구체적으로, 날조 표면 이온 트랩 및 트랩 이온 조작된 트랩을 사용 하 여에 대 한 자세한 절차에 대 한 프로시저를 설명 합니다. 또한, 실험 시스템을 설정 하 고 이온을 트래핑에 대 한 다양 한 실용적인 기술에 대 한 자세한 설명은 보충 문서에 제공 됩니다.
Microfabricating에 대 한 방법론 표면 이온 트랩 1 단계에서 제공 됩니다. 그림 1 표면 이온 트랩의 단순화 된 회로도 보여준다. 가로 평면에서 전극에 적용 된 전압에 의해 생성 된 전기 분야는25도 표시 됩니다. 동안 다른 모든 전극 RF 접지;에 RF 전압 RF 전극의 쌍에 적용 됩니다. ponderomotive 잠재적인26 RF 전압에 의해 생성 된 이온 반지름 방향 제한 합니다. 여러 DC 전극 RF 전극 외부에 적용 되는 직류 (DC) 전압 한정 경도 방향으로 이온. RF 전극 사이 내부 레일 가로 평면에서 총 잠재력의 주요한 도끼를 기울 수 있도록 설계 되었습니다. DC 전압 세트를 디자인 하기 위한 방법론은 보충 문서에 포함 됩니다. 또한, 표면 이온 트랩 칩의 필수적인 형상 매개 변수 설계에 대 한 자세한 내용은27,,2829,,3031에서 찾을 수 있습니다.
1 단계에서 도입 된 제조 방법은 다음과 같은 측면을 고려 하 고 설계 되었습니다. 첫째, 전극 층 및 지상 층 사이의 유 전체 레이어 레이어 간에 전기 분해를 방지 하기 위해 충분히 두꺼운 되어야 합니다. 일반적으로, 두께 10µm 이상 되어야 합니다. 두꺼운 유 전체 층의 증 착 동안 예금 된 영화에서 잔류 응력 기판 또는 손상 예금 된 영화에의 굴복을 발생할 수 있습니다. 따라서, 잔류 응력 제어 표면 이온 트랩의 제조에 핵심 기술 중 하나 이다. 둘째, 길 잃은 요금 흩어져 자외선 (UV) 레이저, 이온의 임의의 변화에 차례 결과에 위치 하 여 유 전체에 유도 될 수 있다 때문에 이온 위치로 유 전체 표면에의 노출을 최소화 한다. 오버행 전극 구조를 설계 하 여 노출된 영역을 줄일 수 있습니다. 그것은 그 일반적인 실험 조건32에서 충전 저항 전극 돌출부와 이온 함정을 표면으로 알려졌다. 셋째, 다양 한 예금 된 영화를 포함 하 여 모든 자료, 약 2 주 동안 제빵 200 ° C를 견딜 수 있어야 하 고 모든 자료에서 가스 방출의 양을 UHV 환경와 호환 되어야 합니다. 이 종이 표면 이온 트랩 칩 ﹙의 디자인은33, 다양 한 실험32,,3334, 에서 성공적으로 사용 되었다에서 트랩 디자인 기반 35.이 디자인에 가운데는 칩 슬롯 포함 나중은 중립 원자 로드 사진-이온 트랩에 대 한 참고.
이온 트랩 칩 제작 후 칩 탑재 하 고 전기 골드 본딩 와이어를 사용 하 여 칩 캐리어에 연결. 칩 캐리어 UHV 챔버에 설치 합니다. 트랩 칩 패키지 및 UHV 챔버의 설계를 준비 하기 위한 상세한 절차는 추가 문서에 제공 됩니다.
트래핑 이온에 대 한 광학 및 전기 장비, 실험 절차의 준비 단계 2에서에서 자세히 설명 합니다. 잠재적인 ponderomotive에 의해 갇혀 이온은 지속적으로 이온의 평균 운동 에너지 증가 주변의 전기장의 변동에 따라 일반적으로. 레이저 도플러 이동에 따라 냉각 이온의 움직임에서 과잉 에너지를 제거 하려면 사용할 수 있습니다. 그림 2 는 174Yb+ 이온 그리고 중립 174Yb 원자의 단순화 된 에너지 수준 다이어그램을 보여 줍니다. 174Yb+ 이온의 도플러 냉각 369.5 nm 레이저 및 935-nm 레이저 사진-중립 174Yb 원자의 이온화 399-nm 레이저를 필요로 하는 동안 필요 합니다. 2.2 및 2.3 단계 이러한 레이저 표면 이온 트랩 칩 및 사진-이온화에 대 한 적절 한 조건을 찾을 수 절차를 정렬 하는 효율적인 방법을 설명 합니다. 광학 및 전기 부품, 준비 후 이온을 트래핑 하는 것은 비교적 간단 합니다. 트래핑 이온에 대 한 실험 순서는 단계 2.4에서에서 제공 됩니다.

<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

이온은 사중 극 자 폴 함정에에서 갇혀 있다 양자 정보 처리를 구현 하는 강한 물리적 후보 중 하나 간주 되었습니다. 이것은 그들의 긴 일관성 시간 및 그들의 기능을 조작 하 고 개별 양자 비트 (qubits)를 감지입니다. 더 최근 몇 년 동안, ﹙ 표면 이온 트랩 대규모 통합된 큐 비트 플랫폼에 대 한 더 많은 관심을 받았습니다. 이 문서에서는 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS) 기술을 사용 하 여 이온 트랩에 대 한 제작 방법론 설명, 14 µ m 두께 유 전체 층과 금속 제조 방법 등 구조 유 전체 층 위에 돌출. 또한,이 터 븀 (Yb)의 이온 동위 원소 174 (174Yb+) 369.5를 사용 하 여 트래핑에 대 한 실험 절차 nm, 399 nm, 935 nm 다이오드 레이저 설명 됩니다. 이러한 방법론 및 절차 참여 많은 과학 및 엔지니어링 분야, 그리고이 종이 먼저 자세한 실험 절차를 제공 합니다. 이 문서에서 설명한 메서드 동위 원소 171 (171Yb+)의 Yb 이온의 트래핑 및 qubits의 조작에 쉽게 확장할 수 있습니다.

그림 7 조작된 이온 트랩 칩의 스캐닝 전자 현미경 (SEM)을 보여준다. RF 전극, 내부 DC 전극, 외부 DC 전극, 및 로딩 슬롯 성공적으로 조작 했다. 유 전체 기둥의 sidewall 프로필 PECVD 산화물은 여러 단계에서 예금 되었다 때문에 들쭉날쭉한 되었다. 여러 증 착 단계 두꺼운 산화물 필름에서 잔류 응력의 영향을 최소화 하기 위해 사용 되었다. 이 토론에 설명 추가 합니다.

그림 8 ﹙ 이온 트랩 칩을 사용 하 여 갇혀 5 174Yb+ 이온의 EMCCD 이미지를 보여 줍니다. 덫을 놓은 이온 냉각 연속 도플러와 24 시간 이상 지난 수 있습니다. 덫을 놓은 이온 수 1과 20 사이의 적용된 DC 전압 설정 변경 하 여 조정할 수 있습니다. 이 실험적인 체제 매우 안정적이 고 강력한 이며 현재 50 개월 동안 운영 하고있다.
그림 9 축 방향 따라 갇힌된 이온 였죠 보여줍니다. 그림 9b 에서 이온 위치는 전치에서 그림 9a 에 DC 잠재적인 최소의 위치 조정을 통해 DC 전압을 변경 하 여.
그림 10 은 171Yb+ 이온 Rabi 진동 실험의 예비 결과 보여줍니다. 결과 얻으려면 보충 문서 에서 설명 하는 추가 설정은 사용 했다. 결과이 문서에서 설명 하는 실험적인 체제의 잠재적인 응용 프로그램 표시를 포함 했다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
그림 1: 표면 이온 트랩의 도식. (한) 빨간 점 덫을 놓은 이온을 나타냅니다. 갈색과 노란색 전극 RF와 DC 전극, 각각 나타냅니다. 회색 화살표 RF 전압의 긍정적인 단계 중 전기 분야의 방향으로 표시합니다. 회로도 그릴 없는 참고 규모. (b) 수직 전극 구조의 치수. (c)는 옆 전극 구조의 치수. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
그림 2: 174Yb+ 이온 그리고 중립 174Yb 원자의 에너지 레벨 다이어그램 단순화. (한) 경우는 369.5 nm 레이저 공명의 빨간 측면 (낮은 주파수)에 detuned, 자전거 전환 2P1/2 및 2S1/2 는 도플러 때문에 이온의 운동 에너지 감소 효과입니다. 때때로, 작지만 유한 분기 비율 2D3/2, 2P1/2 에서 전자 부패 하 게 하 고 935-nm 레이저 전자 주요 자전거 전환 다시 반환 하는 데 필요한. 전자 평균, 한 번 시간당, 2F7/2 상태로 부패 또한 수 638 nm 레이저 2F7/2 상태 펌프 수 있습니다 하지만이 간단한 시스템38에 대 한 필요 하지 않습니다. Ket 표기법의 값 양자화 축 mJ따라 총 각 결합체 J 의 계획을 나타냅니다. (b) 오븐, 2 광자 흡수 과정에서에서 증발 하는 중립 원자를 이온화 하는 사용된39. 399 nm 레이저 1P1 상태로 전자 흥분 그리고 도플러 냉각 369.5 nm 광자는 이온에서 흥분된 전자를 제거 하는 데 필요한 것 보다 더 많은 에너지를 했다. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
그림 3: 제조 프로세스 흐름 표면 이온 트랩의. 성장 하는 5000 Å 두께 SiO2 층 고 2000 Å 두께 Si3N4 계층의 LPCVD (는) 열 산화. 1.5 µ m 두께의 (b) 증 착 및 ICP 에칭 알 레이어 스퍼터 링. (c)는 14의 PECVD 프로세스를 사용 하 여 웨이퍼의 양쪽에서 µ m 두께 SiO2 층. (d) 리에 과정 (e)를 사용 하 여 웨이퍼의 앞에 14 µ m 두께 SiO2 층의 패턴 14 µ m 두께 SiO2 층의 패터 닝 리에 프로세스를 사용 하 여 웨이퍼의 뒷면에 입금. (f) 1.5의 µ m 두께 알 레이어 및 1 µ m 두께 PECVD SiO2 층을 스퍼터 링. (g)는 1.5 µ m 두께 알 ICP 과정을 사용 하 여 레이어와 리에 사용 하 여 1 µ m 두께 SiO2 층의 패터 닝 과정. (h) 14 µ m 두께 SiO2 층의 패터 닝 리에 프로세스를 사용 하 여 웨이퍼의 앞면에 입금. (나) 5000 Å 두께 SiO2 층과는 리에 사용 하 여 2000 Å 두께 Si3N4 레이어 패터 닝 과정. (j) 실리콘 기판 450의 DRIE는 웨이퍼의 뒷면에서 µ m. (k) 알 전극 및 유 전체 기둥의 측 벽에 SiO2 층의 습식 에칭. (l) DRIE 과정을 통해 앞에서 실리콘 기판의 침투. 설계도 그려집니다 하지 참고 규모. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
그림 4: 이온 함정 사용 설정 하는 DC 전압의 예. 내부 레일에 적용 된 전압 가로 평면에서 총 잠재력의 주 축 기울기를 수평 방향으로 비대칭 전기 분야 보정할 수 있습니다. 전압 설정에 의해 생성 된 축방향 함정 주파수 550 kHz 이었다. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
ether.within-페이지 = "1" ><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
그림 5: 광학 설치의 도식. 3 개의 다이오드 레이저 트랩 위치에 겹치게 정렬 됩니다. UHV 챔버의 recessed 뷰포트 수 배치 이미징 렌즈 표면 칩에 최대한 가까이. 플립 미러 이미징 렌즈와는 EMCCD 사이 배치 곱한 광자 관 (PMT)를 사용 하 여 이온 형광의 선택적 모니터링에 대 한 허용 또는 EMCCD. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
그림 6: 이미지 생성 된 광학 설치의. (한) A 코일이 터 븀 이온의 타락 한 에너지 레벨을 깰 수 있는 자기장을 생성 하는 챔버의 전면 뷰포트 주위 상처는. (b)는 399 조 타를 위한 광학 설치 및 935 nm 광속. 빨간색과 녹색 라인 표시는 935의 빔 경로 및 399 nm 레이저, 각각. 플립 미러, 이미징 렌즈, EMCCD, 그리고는 PMT.를 포함 하 여 (c)는 영상의 구성 시스템 플립-거울에 의해 덫을 놓은 이온에서 방출 하는 형광의 경로 확인할 수 있습니다. 녹색과 흰색 화살표는 각각 모니터링 하는 EMCCD 및 PMT 때 형광의 경로 나타냅니다. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
그림 7: 표면 이온 트랩의 제조 결과. (한) 칩 레이아웃의 개요. (b) 칩 레이아웃을 보여주는 여러 외부 DC 전극의 확대 보기. (c) 칩 레이아웃을 보여주는 로드 슬롯의 확대 보기. (d)는 횡단면 로드 슬롯을 관통 하기 전에 트래핑 지역 보기 (e)는 횡단면 로드 슬롯 관통 후 트래핑 지역 보기 (f) A의 산화물 기둥 단면 보기 확대. 산화물 기둥 벽, 가변 있다 그리고 오버행의 길이 충분 한는 별도로 입금된 3.5 µ m 두께 SiO2 레이어 사이의 인터페이스에 SiO2 의 비균일 etch 속도에 따라 결정 됩니다. (g) A의 DC 전극 와이어 본딩 패드의 최고 볼 수 있습니다. (h) A의 횡단면 뷰를 통해. 산화물 기둥의 경사 프로필 작성 대신 산화 기둥의 측 벽에 알 층의 증 착 하는 동안 DC 전극과 접지 층의 연결에 대 한 허용은 구멍을 전기 도금 프로세스를 통해. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
그림 8: 5 174Yb+ 이온에의 한 EMCCD 이미지 ﹙ 이온 트랩 칩에 갇혀. 그리고 표면 트랩 전극 구조의 이미지, 별도로 찍은 덫을 놓은 이온의 고 전극의 이미지 선명도 위한 결합 했다. 강도 범례 상자에서 픽셀에만 적용 됩니다. 두꺼운 화살표 보여줍니다 369.5 nm 레이저의 빔 경로 및 얇은 화살표는 광자의 운동량 x 그리고 z 컴포넌트를 나타냅니다. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
그림 9: 선형 사슬에 갇힌된 이온의 축 잠재력의 조정. (한) 7 이온 트랩의 센터에서. (b) 이온 마이크로미터 shuttled 수만 했다. (c) 이온 문자열 축 방향으로 압착. 이 그림은 별도로 업로드 되는 동영상으로 잘 전망 된다. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
그림 10: 사이 Rabi 진동의 실험 결과 | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> 및 | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> 상태. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> 2S1/2로 정의 됩니다 | F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> 171Yb+ 이온의 상태 및 | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> 2S1/2로 정의 됩니다 | F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> 상태. Rabi 진동 12.6428 g h z의 마이크로파에 의해 유도 된다. 작 위의 블로흐 분야는 서로 다른 시간에 해당 양자 상태를 보여줍니다. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
보조 문서: <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">이 문서를 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.</a>

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Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

이 문서는 방 온도 환경에서 트랩이 터 븀 이온에 대 한 상세한 실험 절차로 서 표면 이온 트랩에 대 한 제작 방법론을 선물 한다.

﹙을 사용 하 여 이온을 트래핑에 대 한 실험 방법 표면 이온 트랩

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

14.4K 조회수.  Seoul National University. 이 문서는 방 온도 환경에서 트랩이 터 븀 이온에 대 한 상세한 실험 절차로 서 표면 이온 트랩에 대 한 제작 방법론을 선물 한다.

비디오: 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.

나노 입자의 광학 트래핑

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 ...

연구

공학

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.

단일 입자 Microfluidic 기반 유체 트랩

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

생체공학

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.

대량 선택 이온 소프트 랜딩에 의해 준비 잘 정의 된 표면의 제자리 SIMS 및 IR 분광법

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

화학

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.

이온의 분리 및 핵산의 정화를위한 온칩 Isotachophoresis

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.

오믹 접촉 제조 집중 이온 빔 기술 및 전기 특성 계층 반도체 나노 구조를 위해 사용

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.

미세 유체 압축 공기를 넣은 케이지 : A의 칩 크리스탈 트래핑, 조작에 대한 새로운 접근 방식 및 제어 화학 처리

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.

공기에서 유전체 미세 입자의 광학 트랩로드

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.

모니터링 환경에서 플라즈몬 트랩 및 나노 입자의 릴리스

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.

뇌 조직에서 측정 세포 외 이온의 신호에 대한 두 번 질주과 동심 미소 전극

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

신경과학

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.

뇌의 세포 외 공간의 부피비와 비틀림을 정량화하기위한 테트라 메틸 암모늄을 이용한 실시간 이온 도입

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