Stoßwechselwirkungen in Isotopen- und Spinmischungen lasergekühlter metastabiler Neonatome

Schütz, Jan

Published Jan 1, 2013• 0 citations

Abstract

Lasergekühlte metastabile Neonatome (Ne*) stellen ein außergewöhnliches atomares System dar: Die extrem kleine kinetische Energie der kalten Atome, bei gleichzeitig ungewöhnlich großer interner Energie des metastabilen Zustands 3P2, führt zu einem einzigartigen Stoßverhalten der Atome, das von ionisierenden Stößen dominiert wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung der Stoßwechselwirkungen von Ne*, wobei insbesondere Stöße in Isotopenmischungen und in Mischungen unterschiedlicher Zeeman-Unterzustände betrachtet werden. Mit einer Lebensdauer von 14,7s stellt der Zustand 3P2 dabei einen effektiven Grundzustand für die Lasermanipulation dar. Die Ne*-Atome werden mit Methoden der Laserkühlung auf eine Temperatur von einigen 100µK abgekühlt und in einer magneto-optischen Falle oder Magnetfalle gespeichert, wo sie für Experimente zur Verfügung stehen. Voraussetzung für das Kühlen und Speichern von Isotopenmischungen ist eine genaue Kenntnis der Isotopieverschiebung des zur Lasermanipulation genutzten Übergangs 3P2-3D3. Die Isotopieverschiebung des Übergangs zwischen den Isotopen Ne20, Ne21 und Ne22 wurde im Rahmen dieser Arbeit vermessen, wobei die Messgenauigkeit durch die Ausnutzung der Vorteile lasergekühlter Atome im Vergleich zu früheren Messungen um eine Größenordnung verbessert werden konnte. Für Ne21 wurden ebenfalls mit hoher Genauigkeit die Hyperfeinstrukturkonstanten für magnetische Dipolwechselwirkung und elektrische Quadrupolwechselwirkung des Zustands 3D3 ermittelt. Die Stoßwechselwirkungen in Zwei-Isotopen-Mischungen spinpolarisierter Ne*-Atome der Isotope Ne20, Ne21 und Ne22 wurden insbesondere im Hinblick auf die Eignung für sympathetisches Kühlen untersucht. Es wurden Ratenkoeffizienten für heteronukleare ionisierende Stöße sowie obere Schranken für heteronukleare thermische Relaxationsquerschnitte gemessen. Es zeigt sich für alle Zwei-Isotop-Mischungen ein für sympathetisches Kühlen unvorteilhaftes Verhältnis von elastischen zu inelastischen Stößen. Für die beiden bosonischen Isotope Ne20 und Ne22 wurden Methoden zur Präparation aller Zeeman-Unterzustände m_J=+2, +1, 0, -1, -2 des Zustands 3P2 sowie kontrollierter Spinmischungen im Fünf-Niveau-System m_J=+2, ..., -2, im Drei-Niveau-System m_J=+2, +1, 0 und im Zwei-Niveau-System m_J=+2, +1 entwickelt. Zur Präparation der Zustände kommen verschiedene Radiofrequenz- und Laser-Pulssequenzen zum Einsatz, deren Funktionsweise quantenmechanisch und anhand eines semi-klassichen Modells erläutert wird. Die Kohärenzeigenschaften der präparierten Zustände wurden mit Hilfe von Ramsey- und Spin-Echo-Experimenten untersucht. Die Ionenraten der Spinmischungen zeigen eine starke Abhängigkeit vom m_J-Zustand der Atome. Am geringsten sind die Raten ionisierender Stöße zwischen Atomen im extremalen Zustand m_J=+2 bzw. im Zustand m_J=-2. Für alle anderen m_J-Zustände wurde eine größere Rate ionisierender Stöße gemessen, wobei der Unterschied zwischen den Raten für Ne20 deutlich größer ist als für Ne22.

DOI: 10.26083/tuprints-00003571

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May 21, 20040 citations

Fokussieren und Kühlen neutraler Atome in starken Dipolpotentialen

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Zusammenfassung Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand darin, experimentelle Techniken und physikalische Konzepte auf dem Weg zur Realisierung einer kontinuierlichen kohärenten Quelle neutraler Atome zu untersuchen und experimentelle Voraussetzungen dafür zu schaffen.Eine wesentliche Voraussetzung einer laserartigen Quelle neutraler Atome ist eine brilliante Strahlquelle, die auch die Grundlage der Experimente dieser Arbeit ist.Zur Präparation und Optimierung eines langsamen Atomstrahls metastabiler Neonatome wurde die komplexe Dynamik der Polarisationsgradientenkühlung in einer 2D-magnetooptischen Melasse mit hohen Magnetfeldgradienten von 350 G/cm untersucht.Dabei wurden Geschwindigkeitsbreiten nahe der Photonenrückstoßgrenze und ein von der Standardtheorie abweichendes Verhalten gemessen.Analog zum optischen Laser ist für eine kohärente atomare Quelle ein Resonator hoher Güte zur Konzentration der Atome auf wenige Moden erforderlich.TEM *-Laserfelder mit positiver 01 Frequenzverstimmung ermöglichen hierzu die Realisierung starker Dipolpotentiale mit Vibrationsfrequenzen in der Größenordnung der Photonenrückstoßfrequenz T = Sk²/(2m).rec Zur effizienten Erzeugung des TEM *-Laserstrahls wurden verschiedene Methoden untersucht 01 und gegeneinander abgewogen.Mittels computergenerierter Hologramme konnten schließlich TEM *-Laserfelder mit einer Effizienz von 45% und guter Modenqualität erzeugt werden.01 Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Fokussierung neutraler Atome in einem TEM *-Laserstrahl 01 erstmals experimentell realisiert werden und die Ergebnisse zur Fokussierung mittels eines Gauß-Modes wesentlich verbessert werden.Im direkten Vergleich konnte die wesentlich höhere Effizienz der Fokussierung in einem TEM *-Laserstrahl gegenüber der im TEM -Laserfeld nach-01 00 gewiesen werden.Es wurden 1.4•10 Atome/s, entsprechend 70% aller Atome eingefangen, 6 geführt und auf Durchmesser von ca.6 µm fokussiert werden.Im Hinblick auf die kontinuierliche Besetzung niedriger Potentialzustände wurde erstmalig eine detaillierte Untersuchung der Polarisationsgradientenkühlung in starken Dipolpotentialen durchgeführt.Eine 2D-optische Melasse kühlt die transversale Geschwindigkeitsbreite des Atomstrahls im Fokus eines TEM *-Laserstrahls unter das Dopplerlimit.Dabei wurde eine signifikante 01 Abhängigkeit der Kühlefffizienz von der TEM *-Potentialstärke beobachtet.01 Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren die Eignung des TEM *-Lasermodes als neues 01 atomoptisches Instrument.Durch Anwendung der Polarisationsgradientenkühlung in starken TEM *-Dipolpotentialen wurden neue Erkenntnisse über die Laserkühlung stark gebundener 01 neutraler Atome gewonnen.

Jan 1, 19970 citations

Aufbau einer Messapparatur zur Laserkühlung und hochauflösende Rydberg-Spektroskopie an 87 Rb-Atomen

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Die Entwicklung der Methoden zur Laserkühlung von Atomen hat in den letzten 15 Jahren vielfältige wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Ein sich dabei in den letzten Jahren neu entwickelndes Feld ist die Kombination der Laserkühlung mit der zustandsselektiven Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände. Ein solches System wird als "gefrorenes Rydberg-Gas" bezeichnet. Dieser Name reflektiert die Tatsache, dass die Experimente mit diesen gekühlten Atomen auf einer Zeitskala ablaufen, auf der die thermische Bewegung zu vernachlässigen ist und nur die Wechselwirkung der Atome untereinander relevant ist. Gelingt es, solche kalten Rydberg-Atome in periodischen Potentialen zu speichern, so ergeben sich Möglichkeiten, dieses System für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) zu nutzen. Zur Untersuchung solcher Systeme wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau konzipiert und realisiert. Die dazu aufgebaute Apparatur wurde charakterisiert, indem Untersuchungen zur Laserkühlung von aus einem Dispenser emittierten 87Rb-Atomen in einer magneto-optischen Falle (MOT) durchgeführt wurden. Die hierbei gekühlten Atome wurden anschließend in eine Magnetfalle in Drahtfallengeometrie transferiert und konnten dort magnetisch gespeichert werden. Zur Speicherung von ultrakalten Atomensembles in periodischen Strukturen wurden die Möglichkeiten untersucht, aus periodisch angeordneten stromtragenden Leitern ein Gitter von zwei Magnetfallentypen (Quadrupol- und Ioffe-Pritchard-Fallen) zu konstruieren. Hierzu wurden aufbauend auf einzelnen Segmenten die Möglichkeiten der Konstruktion von Gittern untersucht. Diese Gitter erlauben es, drei verschiedene Grundkonfigurationen von Fallen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzubauen, die theoretisch erläutert werden. Dabei wird auch eine experimentelle Realisierung solcher Gitter mit Quadrupol-Fallen vorgestellt. Hierbei wurde ein Gitter von 4 MOTs experimentell realisiert und untersucht. Im letzten Teil der Arbeit werden Experimente zur 2-Photonen Rydberg-Anregung und hochauflösenden Rydberg-Spektroskopie von 87Rb-Atomen vorgestellt. Hierbei wird zunächst das verwendete Anregungs- und Detektionsschema der Atome erläutert, gefolgt von Untersuchungen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lasersytems zur Rydberg-Anregung. Hierzu wurden hochauflösende Spektren in der Umgebung der beiden 41D-Feinstrukturzustände von 87Rb in Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufgenommen und die feldabhängige Aufspaltung der Zustände untersucht. Zur Realisierung der erläuterten Schemata zur QIV ist es nötig, einzelne oder Ensembles von Atomen gezielt orts- und zustandsselektiv in Rydberg-Zustände anregen zu können. Erste Demonstrationsexperimente hierzu werden präsentiert. Abschließend wird über die Messung der Rabifrequenz durch Untersuchung der Autler-Townes-Aufspaltung des an das Lichtfeld gekoppelten 5S1/2->5P3/2-Übergangs berichtet.

Jan 1, 20060 citations

Elektrisches Speichern neutraler Atome und Moleküle

Thomas Rieger

In der vorliegenden Arbeit wird das elektrische Fangen von Molekülen und Atomen in zwei verschiedenen Experimenten untersucht.Dazu wurde zum einen eine Quelle kalter Moleküle aufgebaut und zum anderen eine dreidimensionale elektrische Falle für lasergekühlte Atome.Das Molekülexperiment beschäftigt sich mit dem gleichzeitigen zweidimensionalen Fangen von Molekülen, die sich in einem hochfeldsuchenden oder einem niedrigfeldsuchenden Zustand benden.Mit zeitabhängigen Feldern läÿt sich für Moleküle wie ND 3 eine Fallentiefe von ungefähr 20 mK erzeugen.Im Experiment werden mit Hilfe zeitlich veränderlicher elektrischer Felder langsame Moleküle mit einer longitudinalen Geschwindigkeit kleiner als 20 m/s entlang eines 50 cm langen, gebogenen Quadrupols geführt.Simulationen stehen in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt jedoch auf der Realisierung einer elektrischen Falle für Atome.In diesem Experiment werden mit Hilfe zeitlich veränderlicher elektrischer Felder neutrale Rubidium Atome, die sich im Grundzustand benden, gefangen.Dazu werden drei unterschiedliche elektrostatische Feldkongurationen zyklisch abwechselnd erzeugt.Aufgrund der geringen Fallentiefe müssen die Rubidium Atome zuerst lasergekühlt und danach in einer Magnetfalle gespeichert werden.Danach werden die magnetisch gespeicherten Atome ins Zentrum der elektrischen Falle transportiert.Die elektrische Falle für Atome besteht aus sechs zylindrischen mit Endkappen versehenen Elektroden, in einer kubischen Anordung.Die so angeordneten Elektroden ermöglichen einen ausgezeichneten optischen Zugang.In der elektrischen Falle werden 1, 7 • 10 5 Atome bei einer Dichte von 2, 5 • 10 8 cm -3 bis zu 360 ms bei einer Anfangstemperatur von 20 µK gespeichert.Alle experimentellen Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit analytischen Rechunungen und numerischen Simulationen.

Sep 1, 20070 citations

Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen in Stößen mit zustandsselektierten Rydberg-Atomen

Monika Reicherts

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein besseres Verstandnis der Bildung atomarer negativer Ionen in Stosen mit zustandsselektierten Rydbergatomen zu schaffen. In einem Kreuzstrahlexperiment wurde mittels Massenspektrometrie die Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen in thermischen Stosen (mittlere kinetische Energie 90*230 meV) von zustandsselektierten Ne(ns,J=2) und Ne(nd,J=4) Rydberg-Atomen mit Grundzustandsatomen untersucht. Der n-abhangige Ratenkoeffizient fur die Prozesse Ne(nl) + CaNe + CaNe (nl) + SrNe + Sr wurde bei zwei verschiedenen mittleren Stosenergien bestimmt. Die experimentellen Resultate wurden mit Modellrechnungen, basierend auf einem Kurvenkreuzungsmodell und einer modifizierten adiabatischen Theorie, verglichen. Im Experiment kreuzt ein kollimierter Strahl metastabiler Edelgasatome Ne, die in einer Gleichstromentladung erzeugt werden, einen kollimierten Strahl von Erdalkali-Atomen, der in einem Ofen unter effusiven Bedingungen produziert wird. Im Kreuzungsgebiet werden Ne(ns,J=2) oder Ne(nd,J=4) Rydberg-Zustande bevolkert; dies erfolgt in einer zweistufigen Laseranregung der Ne Atome uber den Zwischenzustand Ne. Die beim Elektronentransfer entstandenen positiven und negativen Ionen wurden mit einem Quadrupol-Massenspektrometer an einem Channel-Plate-Detektor nachgewiesen. Zur Kalibrierung der Spektren wurde SF-Gas diffus in den Reaktionsraum eingelassen. Die bekannten n-abhangigen Ratenkoeffizienten fur die Bildung von SF in Stosen mit Ne(nl) Rydberg-Atomen ermoglichte die Bestimmung des relativen Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca und Sr. Der n-abhangige Ratenkoeffizient fur die Bildung von Ca oder Sr zeigt ein resonanzartiges Verhalten als Funktion der Bindungsenergie des Rydbergelektrons. Die Position des Maximums hangt dabei von der Elektronenaffinitat und der mittleren kinetischen Energie ab. Die beobachteten Maxima liegen bei effektiven Hauptquantenzahlen im Bereich n = 9*11.5. Das Maximum fur den Elektronentransfer aus Ne(ns) und Ne(nd) Zustanden tritt bei dem gleichen Wert von n auf; dabei ist der Ratenkoeffizient im Maximum fur Ne(ns) Zustande etwa 20-60% hoher als fur Ne(nd)-Zustande. Zum Verstandnis der experimentellen Daten wurden Modellrechnungen durchgefuhrt, wobei der Wirkungsquerschnitt fur die Bildung negativer Ionen in Abhangigkeit von n i) anhand eines parameterfreien Kurvenkreuzungsmodells in Zusammenarbeit mit C. Desfrancois und ii) basierend auf einer modifizierten adiabatischen Theorie von I. I. Fabrikant bestimmt wurde. Das parameterfreie Kurvenkreuzungsmodell wurde bereits erfolgreich zur Beschreibung der Bildung dipolgebundener Molekule in Stosen mit zustandsselektierten Rydbergatomen eingesetzt. Im Kurvenkreuzungsmodell i) werden die beiden ionischen Zustande und eine hohe Anzahl kovalenter Potentialkurven in einem gekoppelten System (ohne Berucksichtigung von Interferenz- Effekten) betrachtet, wobei fur die Wahrscheinlichkeit, von einer kovalenten zu einer ionischen Potentialkurve zu wechseln, die Landau-Zener- Ubergangswahrscheinlichkeit eingesetzt wird. In Modell ii) wird nur jeweils eine ionische und kovalente Potentialkurve des Systems betrachtet. Nach der Bildung der Ionen wird der Zerfall des negativen Ions im Coulombfeld des positiven Ions berucksichtigt; dieser Zerfall entspricht dem Effekt der Mehrfachkurvenkreuzungen im Kurvenkreuzungsmodell. Zur Berucksichtigung der Feinstruktur wird in Modell ii) der Wirkungsquerschnitt entsprechend dem statistischen Mittel der negativen Ionen ermittelt. Die Ratenkoeffizienten wurden durch Mittelung uber die Verteilung der Relativenergie bestimmt. Beide Modelle geben den experimentell bestimmten Verlauf des Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca- und Sr-Ionen gut wieder. Es hat sich gezeigt, das unter den realisierbaren experimentellen Bedingungen die kinetische Energie einen entscheidenden Einflus auf die Bildung der negativen Ionen hat, da das entstandene Ionenpaar genugend kinetische Energie zur Verfugung haben mus, um die Coulombanziehung zu uberwinden. Die Untersuchung der Bildung von Yb*Ionen (erwartete Bindungsenergie 3 meV) in Stosen mit zustandsselektierten Ar(nd)-Rydbergatome zeigte im Bereich 21 n 3 keinen Hinweis auf die Existenz eines langlebigen Yb-Ions. In Kombination mit Abschatzungen zum Felddetachment negativer Ionen im elektrischen Feld des Quadrupolmassenspektrometers ergibt sich aus diesen Befunden die Aussage, das die Bindungsenergie von Yb-Ionen * falls sie uberhaupt existieren * geringer als 2 meV sein mus. Die Resultate dieser Arbeit konnten die scharfe Resonanz fur Ca-Bildung bei n = 23.9, die von McLaughlin und Duquette beobachtet wurde, nicht reproduzieren. Die nach dem Resonanzmodell von I. I. Fabrikant vorhergesagte Bildung negativer Ca*Ionen bei EA(Ca) E!,(Ne(nl)) wurde nicht bestatigt. Das beobachtete resonanzartige Verhalten des Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca und Sr in Stosen mit zustandsselektierten Rydberg-Atomen ist ahnlich mit den Ergebnissen fur die Bildung dipolgebundener molekularer Anionen. Dieses Verhalten kann durch ein Kurvenkreuzungsmodell oder eine modifizierte adiabatische Theorie beschrieben werden. Quantitativ ergibt sich aus KKM-Rechnungen folgende Relation zwischen der Bindungsenergie EA im Bereich 2-100 meV und der Position des Maximums n des Ratenkoeffizienten fur die Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen: n = (225738 meV/ EA) bzw. EA = 225738 meV/(n).

Jan 1, 20000 citations