Abstract Langsame und damit sehr kalte Moleküle bieten eine ähnlich aufregende Perspektive wie ultrakalte Atome. Doch ihre Herstellung ist schwieriger, denn meist versagt die bei Atomen erfolgreiche Laserkühlung. Eine Möglichkeit bietet der Stark‐Verzögerer. Er arbeitet wie ein inverser Linearbeschleuniger und bremst über den Stark‐Effekt sogar elektrisch neutrale Moleküle ab. Diese langsamen Moleküle kann dann ein Speicherring aufnehmen oder eine elektrostatische Quadrupol‐Falle fast zum Stillstand bringen. Kollisionsexperimente zwischen langsamen OH‐Molekülen und Xe‐Atomen haben jüngst erste interessante Einblicke in diese Streuprozesse geliefert. Bei ihnen kann die Energie gerade noch ausreichen, um die quantisierten Rotationszustände der beteiligten Moleküle zu ändern.
Abstract Langsame und damit sehr kalte Moleküle bieten eine ähnlich aufregende Perspektive wie ultrakalte Atome. Doch ihre Herstellung ist schwieriger, denn meist versagt die bei Atomen erfolgreiche Laserkühlung. Eine Möglichkeit bietet der Stark‐Verzögerer. Er arbeitet wie ein inverser Linearbeschleuniger und bremst über den Stark‐Effekt sogar elektrisch neutrale Moleküle ab. Diese langsamen Moleküle kann dann ein Speicherring aufnehmen oder eine elektrostatische Quadrupol‐Falle fast zum Stillstand bringen. Kollisionsexperimente zwischen langsamen OH‐Molekülen und Xe‐Atomen haben jüngst erste interessante Einblicke in diese Streuprozesse geliefert. Bei ihnen kann die Energie gerade noch ausreichen, um die quantisierten Rotationszustände der beteiligten Moleküle zu ändern.
Abstract Die Forschung an kalten Molekülen hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Es gibt mittlerweile eine Reihe etablierter Methoden, um Moleküle in der Gasphase auf Temperaturen im Millikelvin‐Bereich zu kühlen. Dennoch konzentriert sich ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung darauf, neue Wege zu finden, um die Temperaturen der Moleküle dem absoluten Nullpunkt noch näher zu bringen. Proben kalter Moleküle bieten nicht nur wichtige Anwendungen für die hochauflösende Spektroskopie, die von den verlängerten Wechselwirkungszeiten der langsamen Moleküle mit der elektromagnetischen Strahlung profitiert. Sie versprechen auch einen Zugang zu einem exotischen Regime der chemischen Reaktivität, in dem Phänomene wie Quantentunneln und ‒resonanzen vorherrschen. Dieser Aufsatz beginnt mit einer Einführung in die Methoden, mit denen kalte Moleküle hergestellt werden können, mit besonderem Schwerpunkt auf der Stark‐Abbremsung und auf Molekülfallen. Ein wichtiger Teil des Aufsatzes ist neben den teilweise bereits realisierten auch den zukünftig möglichen Anwendungen kalter Moleküle gewidmet, die beide mithilfe ausgewählter Beispiele näher beleuchtet werden.
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.
Das Gebiet der kalten Molekule ist ein neues Gebiet der
Quantenoptik, welches in den letzten Jahren immer mehr in den
Mittelpunkt eines breiten interdisziplinaren Interesses geruckt
ist. Nach den aufsehenerregenden Erfolgen, welche bei den
ukltrakalten, neutralen und geladenen Atome erzielt werden
konnten, sind in den letzten Jahren vielfaltige Anstrengungen
unternommen worden, Methoden und Techniken zu entwickeln, um auch Molekule in der Gasphase auf Temperaturen im Millikelvin-Berreich und darunter abzukuhlen. Insbesondere sind universell einsetzbare Methoden von Interesse, welche fur eine breite Klasse von Molekulen geeignet sind.
Neben der Demonstration solcher Techniken sind neuerdings auch erste Anwendungen kalter Molekule zum Gegenstand intensiver Forschungsaktivitaten geworden. Beispielsweise sind kalte Molekule interessante Modellsysteme zur Untersuchung fundamentaler Fragestellungen der Grundlagenforschung. Sie sind insbesondere
geeignet zur Spektroskopie an Rotations- und Vibrationsubergangen in Molekulen mit hochster Auflosung. In dieser Arbeit werden Beitrage zu den obigen Themengebieten beschrieben. Im Einzelnen wurden folgende Themengebiete bearbeitet:
- Methoden zur Erzeugung kalter ( - Die Eigenschaften der so erzeugten ein- und mehrkomponentigen Ionenplasmen
konnten systematisch untersucht und charakterisiert werden.
- Verschiedene neuartige destruktive und nichtdestruktive
Techniken fur den Nachweis gekuhlter Teilchenspezies wurden
entwickelt.
- Die komplexe Dynamik der erzeugten Vielteilchensysteme wurde anhand von numerischen Simulationen untersucht. - Reaktionen zwischen sympathetisch gekuhlten Atomen und
Molekulen und neutralen Teilchen konnten untersucht werden. Mit der entwickelten Methode wurde eine Auflosung im Bereich einzelner Ionen erreicht. - Die Moglichkeit der Kontrolle chemischer Reaktionssequenzen wurde genutzt, um kalte, nahezu lokalisierte, astrophysikalisch und metrologisch relevante Molekulionen zu erzeugen.
- Hochauflosende Rotations-Vibrations-Spektroskopie an kalten Molekulionen wurde erstmals demonstriert.
- Mittels (1+1') REMPD Laserspektroskopie wurde die Frequenz
rovibronischer Ubergange in HD+-Ionen erstmals absolut
vermessen. Die erzielte spektroskopische Genauigkeit liegt bei 2.3 ppb (absolute Genauigkeit 0.5 MHz) und stellt die bisher genaueste Messung an HD+ dar. Verglichen mit fruheren Ergebnissen and HD+ konnte die spektroskopische Genauigkeit um einen Faktor 165 gesteigert werden. Aus der gemessenen Ubergangsfrequenz konnte das
Elektron-zu-Proton-Massenverhaltnis m_e/m_p mit einer
Genauigkeit von etwa 5 ppb hergeleitet werden. - Eine relativ genaue Methode zur Messung der Rotationstemperatur translatorisch kalter Molekule wurde entwickelt. Insgesamt wurde das breite Anwendungspotenzial der sympathetischen Kuhlung demonstriert. Es konnte gezeigt werden, dass die einzigartigen Eigenschaften der erzeugten kalten Ionenplasmen sich fur eine Vielzahl von neuartigen Untersuchungen eignen, welche zur Entdeckung neuer physikalischer Effekte in
Vielteichensystemen und zur spektroskopischen Messungen mit allerhochster Auflosung fuhren konnen.
Abstract Das Phänomen ist alltäglich: Licht durchläuft ein optisches Medium und wird dabei abgeschwächt. Der Effekt heißt Extinktion. Zu dieser “Auslöschung” tragen zwei Mechanismen bei: Streuung und Absorption. Dabei ist besonders die Frage interessant, welchen “Schatten” einzelne Quantensysteme wie Atome oder Moleküle werfen. Inzwischen gelingt es, experimentell in diesen Größenbereich vorzudringen. Die Streuung am System ist dabei entscheidend: Die destruktive Interferenz zwischen einfallendem und gestreutem Licht kann das einfallende Licht in Ausbreitungsrichtung sogar vollständig auslöschen. Ob auch im Experiment ein einzelnes Atom zu dieser vollständigen Auslöschung fähig ist, gehört zu den noch offenen Fragen. Das Forschungsgebiet hat zudem für die Quanteninformationsverarbeitung Bedeutung. Diese benötigt eine möglichst effiziente Kopplung eines Lichtfeldes an ein einzelnes Quantensystem.
Abstract Die hochauflösende Fluoreszenzspektroskopie ermöglichte in den letzten Jahren viele Experimente mit einzelnen Molekülen in Festkörpern bei tiefen Temperaturen. Eine Reihe von quantenoptischen Effekten, wie Quantensprünge oder der dynamische Stark‐Effekt, ließen sich durch die gezielte Präparation neuer Systeme kürzlich erstmals beobachten. Besonders viel Information ist in der zeitlichen Abfolge der von einem einzelnen Molekül emittierten Fluoreszenzphotonen enthalten. Die Analyse ihrer Korrelationen erlaubt es, dynamische Prozesse des Moleküls über zehn Dekaden der Zeit hinweg simultan zu untersuchen. Einige der hier vorgestellten quantenoptischen Effekte sind äußerst empfindlich gegenüber dynamischen Wechselwirkungen mit der Festkörpermatrix und damit bestens geeignet, diese auf einer nanoskopischen Skala ohne Ensemblemittelung zu studieren.
Zusammenfassung Atome sind durch Laserkühlung so gut kontrollierbar, dass optische Uhren mit Unsicherheiten im Bereich von 10–18 realisiert wurden. Allerdings besitzen bei Weitem nicht alle Atome einen Quantenübergang zum Laserkühlen. Unter diesen sind aber Spezies interessant, die auf Neue Physik jenseits des Standardmodells besonders empfindlich reagieren sollten. Mit ultrapräziser Spektroskopie könnten Änderungen fundamentaler Konstanten, der Kopplung an Dunkle Materie oder eine hypothetische Fünfte Kraft aufgespürt werden. Auch bestimmte Moleküle wären hierfür geeignet, doch Moleküle sind nur eingeschränkt laserkühlbar. Dieses Problem kann die Quantenlogik lösen. Dabei wird dem Ion in einer Paul‐Falle, das spektroskopiert werden soll, ein Logik‐Ion zugesellt, das laserkühlbar ist. Damit konnten erstmalig eine Reihe neuer Spezies spektroskopiert werden. Neben einfach und hoch geladenen Ionen werden zukünftig Präzisionsmessungen an Molekülen und weiteren interessanten Systemen, etwa Antiprotonen, hinzukommen. All dies illustriert die Universalität der Quantenlogik‐Spektroskopie, die nicht zuletzt den Bau von Uhren höchster Genauigkeit erlaubt.