Het Standaardmodel van de deeltjesfysica beschrijft de elementaire deeltjes en hun interactie met sterke, zwakke en elektromagnetische kracht. Ondanks dat het Standaardmodel erg succesvol is, is het niet compleet. Het verklaart bijvoorbeeld niet de aanwezigheid van donkere materie of zwaartekracht. Het Standaardmodel kan direct getest worden door botsingsexperimenten bij hoge energieën, zoals bij CERN, of indirect door kleinschalige precisie-experimenten met atomen of moleculen. Moleculen hebben een versterkte gevoeligheid voor zulke precisietesten van het Standaardmodel doordat ze een rijke energie-niveaustructuur hebben. Door het koelen van de moleculen tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt kan een meting worden gedaan met een lange observatietijd. Dit vergroot de gevoeligheid nog meer. Wij gebruiken een combinatie van twee recent ontwikkelde technieken: Starkafremming en laserkoeling. Zware moleculen zijn het gevoeligst voor precisiemetingen maar moeilijk af te remmen. Wij kozen voor SrF omdat het kan worden afgeremd in een 4,5 meter lange afremmer. Na het afremmen kunnen de moleculen worden gelaserkoeld om de temperatuur verder omlaag te brengen. Door de combinatie van deze twee technieken worden een aantal uitdagingen van het laserkoelen van moleculen verzwakt omdat de moleculen al koud zijn na het afremmen. We concluderen daarom dat een combinatie van afremmen en laserkoelen veelbelovend is voor een nieuwe generatie precisiemetingen.
Het Standaardmodel van de deeltjesfysica beschrijft de elementaire deeltjes en hun interactie met sterke, zwakke en elektromagnetische kracht. Ondanks dat het Standaardmodel erg succesvol is, is het niet compleet. Het verklaart bijvoorbeeld niet de aanwezigheid van donkere materie of zwaartekracht. Het Standaardmodel kan direct getest worden door botsingsexperimenten bij hoge energieën, zoals bij CERN, of indirect door kleinschalige precisie-experimenten met atomen of moleculen. Moleculen hebben een versterkte gevoeligheid voor zulke precisietesten van het Standaardmodel doordat ze een rijke energie-niveaustructuur hebben. Door het koelen van de moleculen tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt kan een meting worden gedaan met een lange observatietijd. Dit vergroot de gevoeligheid nog meer. Wij gebruiken een combinatie van twee recent ontwikkelde technieken: Starkafremming en laserkoeling. Zware moleculen zijn het gevoeligst voor precisiemetingen maar moeilijk af te remmen. Wij kozen voor SrF omdat het kan worden afgeremd in een 4,5 meter lange afremmer. Na het afremmen kunnen de moleculen worden gelaserkoeld om de temperatuur verder omlaag te brengen. Door de combinatie van deze twee technieken worden een aantal uitdagingen van het laserkoelen van moleculen verzwakt omdat de moleculen al koud zijn na het afremmen. We concluderen daarom dat een combinatie van afremmen en laserkoelen veelbelovend is voor een nieuwe generatie precisiemetingen.
In dit proefschrift beschrijven we een experiment om SrF (strontiummonofluoride) moleculen af te remmen. Het afremmen van deze moleculen is belangrijk om precisiemetingen te kunnen doen, bijvoorbeeld om het Standaardmodel te testen. Het Standaardmodel beschrijft in een samenhangende theorie de wisselwerking tussen alle elementaire deeltjes door middel van de zwakke kernkracht, de sterke kernkracht en elektromagnetisme. Hoewel het Standaardmodel zeer succesvol en extreem nauwkeurig is, weten we ook dat het niet alles in de natuurkunde omvat, zoals de zwaartekracht en donkere materie. Het Standaardmodel kan worden getest door botsingsexperimenten in deeltjesversnellers zoals bij CERN, maar ook door middel van precisiemetingen in veel kleinschaliger opstellingen. Nog onbekende fysica kan namelijk ook indirect zeer subtiele afwijkingen in de structuur van moleculen veroorzaken. Deze afwijkingen zijn bij uitstek meetbaar in zeer precieze metingen met afgeremde moleculen. Juist door moleculen in vacuum stil te zetten met een afremmer, en ze heel koud te maken, kunnen de moleculen zo geprepareerd worden dat de gewenste precisie haalbaar wordt. Zware moleculen zijn het meest geschikt om precisiemetingen aan het Standaardmodel te doen. Ze zijn echter ook moeilijk af te remmen. Wij hebben voorgesteld om een zogenaamde lopendgolf-Starkafremmer van 5 meter lengte te bouwen waarmee het afremmen van SrF moleculen toch mogelijk wordt. Met computersimulaties werd aangetoond dat dit inderdaad het geval is. Vervolgens is de afremmer gebouwd en werden voor het eerst SrF moleculen succesvol afgeremd. Precisiemetingen aan dergelijke afgeremde zware moleculen liggen nu in het verschiet.
In dit proefschrift bestuderen we mechanismen voor ultra-kleine licht schakelaars. Toepassing van dit soort mechanismen kan de weg vrijmaken voor nieuwe klassen van optische materialen, waarin op nanometerschaal de transmissie van licht aan- en uitgeschakeld kan worden. De controle van de gang van licht door micro- en nanometerschaal optische materialen vormt een belangrijk onderwerp van onderzoek. Onderzoek in dit vakgebied is van groot belang voor onder andere optische informatieverwerking en kan mogelijk leiden tot de ontwikkeling van computers die gebruikmaken van optische schakelingen (vgl. de huidige generatie computers, die de informatieoverdracht bewerkstelligt door middel van elektronische schakelingen). Door wisselwerkingen tussen een groot aantal identieke bouwstenen kunnen zich interessante fenomenen voordoen. Hierbij kan men bijvoorbeeld denken aan de bijzondere eigenschappen van water, die pas bij een groot aantal watermoleculen aan het licht komen. Zonder wisselwerking kan geen collectiviteit optreden. De optische fenomenen die we in dit proefschift hebben onderzocht zijn collectieve eigenschappen van configuraties van electrische dipolen. Een electrische dipool is ´e´en van de meest eenvoudige systemen om de wisselwerking tussen licht en materie te beschrijven. Een electrische dipool wordt gevormd door een dicht bij elkaar staande positieve en negatieve lading. Zoals een magnetische dipool gericht kan worden door een magnetisch veld, kan een electrische dipool worden gericht door een electrisch veld. Op moleculair niveau kan de electronenwolk rond het molecuul met de positieve atoomkernen een dipool vormen. Door absorptie van licht kan bovendien een dipoolmoment in een molecuul worden ge¨induceerd. De energie van een foton wordt opgeslagen in de veranderde electronen-configuratie van het molecuul (als potenti¨ele energie). Het molecuul is dan van de energetisch meest gunstige toestand (de grond- toestand) in een aangeslagen toestand gebracht. De grootte van het ge¨induceerde dipoolmoment wordt overgangsdipool genoemd. Stoffen met grote overgangsdipolen hebben een sterke wisselwerking met licht. Een molecuul met een overgangsdipool kan in de meest eenvoudige benadering worden beschreven als een systeem met twee niveaus: een toestand met een lage energie - de grondtoestand - en een toestand met een hogere energie, die bereikt kan worden door absorptie van licht - de aangeslagen toestand. Kleurstoffen zijn stoffen die grote overgangsdipoolmomenten hebben, waardoor ze een sterke wisselwerking met licht hebben. In hoofdstuk twee beschrijven we in detail de uitzonderlijke optische eigenschappen van clusters (ook wel moleculaire aggregaten genoemd) van kleurstof-moleculen. De moleculen in het cluster worden door electrostatische krachten bij elkaar gehouden. De optische eigenschappen van deze clusters verschillen sterk ten opzichte van de optische eigenschappen van een enkel kleurstof-molecuul. Dit kan inzichtelijk worden gemaakt door het volgende vereenvoudigde beeld: een electromagnetisch veld (licht) zorgt voor een trillende electronenconfiguratie, die een trillende dipool ten opzichte van de positieve kernen vormt. Deze induceert ook trillingen in naburige kleurstofmoleculen. Het veld brengt het cluster in een collectieve aangeslagen toestand. De collectieve toestanden van het cluster hebben een veel groter overgangsdipoolmoment dan de individuele moleculen. Daardoor hebben deze clusters van kleurstof-moleculen een bijzonder sterke wisselwerking met licht, waardoor het een interessant studieobject is. In hoofdstuk drie en vier laten we zien dat een dunne laag van moleculaire aggregaten als een volledig optische schakelaar kan werken. Licht met een lage intensiteit wordt door deze dunne laag volledig gereflecteerd. Deze reflectie is het gevolg van de sterke absorptie van de moleculaire aggregaten. De hoeveelheid energie die de film kan opslaan is echter beperkt. Licht met een hoge intensiteit kan de film verzadigen, waardoor een bijna volledige transmissie van het licht optreedt. Door het systeem met een externe lichtpuls te verzadigen, kan de transmissie van andere lichtbronnen worden geregeld. In hoofdstuk vijf, zes en zeven onderzoeken we eigenschappen van wanordelijke moleculaire ketens. Deze wanorde is het gevolg zijn van de chaotische omgeving rond de ketens. Er wordt gekeken hoe materiaal-eigenschappen afhangen van de mate van wanorde. Door bepaalde karakteristieken te schalen als functie van de sterkte van de wanorde laten we zien dat deze eigenschappen in feite niet veranderen. Ondanks de willekeur kunnen er toch heel algemene uitspraken over deze systemen worden gedaan, die niet afhangen van de sterkte van de wanorde. In deze drie hoofdstukken wordt verder aandacht geschonken aan experimenten waarbij de absorptie van licht door de ketens wordt gemeten. In het bijzonder kijken we naar de verandering van het spectrum van het geabsorbeerde licht als het systeem al energie van een eerdere licht puls heeft opgenomen. In het laatste deel van dit proefschrift hebben we een zogenaamd fotonisch kristal gemodeleerd. Fotonische kristallen hebben door hun microscopische structuur een sterke wisselwerking met zichtbaar licht. De meeste fotonische kristallen hebben optische eigenschappen die niet veranderd kunnen worden als het kristal eenmaal gefabriceerd is. Bij bijzondere kristallen kan de doorlaatbaarheid van licht worden veranderd door invloed van buitenaf. Een dergelijk kristal kan als een optische schakelaar worden gebruikt, een belangrijk element in optische informatieverwerking. Het fotonische kristal dat we onderzocht hebben bestaat uit invallend licht dat interactie heeft met een rooster van Lorentz-oscillatoren. Een Lorentz-oscillator is de meest eenvoudige beschrijving van de interactie tussen licht en materie. Materie wordt voorgesteld door een massa met een positieve lading die met een veer aan een massa met een negatieve lading is bevestigd. Het massa-veer systeem wordt door het electromagnetische veld in beweging gebracht, waardoor een trillende dipool ontstaat. Dit systeem is een elegant model om de licht-materie interactie te beschrijven en te visualiseren. Wat dit model van een fotonisch kristal bijzonder maakt, is dat een spontane overgang plaatsvindt naar een nieuwe geordende toestand bij voldoende sterke wisselwerking tussen de dipolen en het licht. De dipolen zijn dan verplaatst van hun oorspronkelijke evenwichtspositie, zodat de symmetrie van het oorspronkelijke kristal is gebroken. Dat er een faseovergang plaats kan vinden, was al langer bekend, maar dit was nog niet eerder in de context van fotonische kristallen geplaatst. De optische eigenschappen veranderen als er een structuurverandering plaatsvindt. Een interessante mogelijkheid doet zich voor nabij de faseovergang. De dipolen zijn dan sterk te be¨invloeden door een extern electrisch veld. Met het externe veld kan de lichtdoorlaatbaarheid van het kristal worden beinvloed, zodat het als een optische schakelaar kan worden gebruikt.
La thèse se positionne dans le domaine des molécules ultra-froides, c’est-à-dire des molécules qui ont des vitesses correspondant à des températures de l’ordre du µK. L’obtention de gaz dilués moléculaires à ces températures peut ouvrir la porte à des applications importantes en simulation ou en informatique quantique. La thèse s’intéresse plus particulièrement à la formation de molécules dipolaires électriques et magnétiques. Celles-ci sont présagées pour être un système idéal dans l’optique d’un simulateur quantique du système réseau-spin, permettant de décrire le magnétisme dans les solides. Nous avons choisi l’exemple de la molécule RbSr qui fait l’objet actuellement d’une expérience à Amsterdam. Nous avons donc exploré plusieurs alternatives basées sur l’emploi de laser pour la formation de molécules RbSr ultra-froides Nous avons d’abord considéré la photoassociation dont le principe est de coupler l’état de collision initial avec un état rovibrationnel d’un état électronique excité. L’étape d’émission spontanée qui suit forme des molécules dans l’état électronique fondamental. Nous avons également considéré le problème des pertes supplémentaires d’atomes lorsque le laser de photoassociation est intense et focalisé, mises en évidence dans une expérience à Bangalore. Dans la suite de la thèse, nous avons exploré des méthodes cohérentes. Nous avons montré que des molécules faiblement liées de RbSr peuvent être formées à l’aide d’un STIRAP en partant de paires d’atomes isolées et confinées dans un isolant de Mott. Nous avons ensuite étudié leur stabilisation vers le niveau le plus profond de l’état fondamental de la molécule à l’aide d’un second STIRAP. Enfin, nous avons étudié des méthodes se déroulant uniquement dans l’état électronique fondamental. La formation est induite par l’utilisation d’une impulsion à dérive de fréquence induisant un passage adiabatique ou à l’aide d’une impulsion-pi. En plus, nous avons découvert que cette méthode formation peut être reliée à une résonance de Feshbach dans la représentation habillée par les photons, que nous avons appelée Résonance de Feshbach auto-induité assistée par Laser (LASIFR en anglais). Nous montrons qu’elles sont un outil prometteur et puissant pour le contrôle des propriétés de mélange de gaz d’atomes ultra-froids, comme par exemple la longueur de diffusion.
Wanneer een gas bijna tot het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius, 0 K) gekoeld wordt en voldoende dichtheid heeft, treedt soms Bose-Einsteincondensatie (BEC) op. Dit effect is een gevolg van het quantumgedrag van verzamelingen identieke deeltjes: de quantummechanische golven die de atomen beschrijven, spreiden zich uit en overlappen elkaar, wat de atomen in dezelfde toestand met de laagste energie dwingt. Paul Tol beschrijft in zijn proefschrift experimenten die zullen leiden naar BEC in metastabiel helium, helium dat met een ontlading in een langlevende aangeslagen toestand gebracht is. Daarbij neemt verdampingskoeling een belangrijke plaats in: de atomen met de meeste energie verlaten de val en door elastische botsingen wordt de energie van de overgebleven atomen herverdeeld. De gemiddelde energie van de resterende atomen wordt kleiner, uitmondend in een koudere en dichtere wolk. Laserlicht wordt gebruikt voor de koeling in het begin en voor de bepaling van het aantal atomen in een gaswolk. Om dit laatste nauwkeurig te kunnen doen, wordt het theoretische verband tussen de relatieve absorptie van het licht en het aantal atomen opnieuw afgeleid, zonder de gebruikelijke simplificaties. Het theoretische model dat de koeling tot het absolute nulpunt beschrijft, wordt ook aangepast om het te kunnen toepassen bij hogere starttemperaturen, zodat het koeltraject geoptimaliseerd kan worden. Deze modellen zijn zo opgesteld dat ze ook gebruikt kunnen worden voor andere gassen.
Die Fähigkeit, kalte Moleküle mit hoher räumlicher Dichte herzustellen, eröffnet völlig neuartige Möglichkeiten in diversen Forschungsdisziplinen. Die direkte Anwendung der sehr erfolgreichen Kühl- und Fallen-Techniken für Atome auf Moleküle ist bisher nicht möglich. Nicht-resonantes Laserkühlen mit Hilfe optischer Resonatoren (Cavity Kühlen) eröffnet eine neue Perspektive kalte Moleküle herzustellen. Im Prinzip ist diese Methode auf jedes polarisierbare Teilchen anwendbar, welches das Kühllicht bei der gewählten Wellenlänge zwar streut, aber möglichst wenig absorbiert. Die Verwendung von nicht-resonantem Licht resultiert zum einen in einer \break schwachen Absorption, zum anderen in einer schwachen Kopplung zwischen \break Molekül und elektrischem Feld. Erreicht man jedoch eine kritische Laserleistung und molekulare Teilchendichte, so kann die schwache Molekül-Feld Kopplung ausgeglichen werden. Nichts desto weniger stellt das Cavity-Kühlen von Molkülen eine große Herausforderung dar. Bis heute konnte noch keine (Cavity-) Laser-Kühlmethode auf irgendein Molekül erfolgreich angewendet werden. Das Ziel dieses Experiments ist es, Moleküle zum allerersten Mal mit Hilfe von Licht zu kühlen. Durch Nutzung der vorteilhaften Eigenschaften eines Molekularstrahls, der verbesserten Molekül-Feld Kopplung in einem Resonator mit \break hochgradig entarteter Modenstruktur und der Verstärkung des Laser-Pumpfeldes in einer zweiten high-finesse Cavity ist dieses lang ersehnte Ziel durch diese Diplomarbeit in experimenteller Reichweite. Bisher wurde der gesamte Versuch geplant und aufgebaut. Die zwei high-finesse Resonatoren wurden hergestellt und charakterisiert, die Vakuum-Kammer, die darin enthaltene Molekül-Quelle und Detektion sind voll funtkionstüchtig und das optische Setup ist justiert. Somit können die ersten Messungen dieser neuartigen Kühlmethode für Moleküle beginnen.
La presente tesis se enmarca dentro de los campos de la Optica Cuantica y la Optica Atomica, mas especificamente en el area de atomos frios y su control y manipulacion mediante laseres. En estas ultimas decadas, estos campos han experimentado un enorme desarrollo, debido principalmente a las nuevas tecnicas que permiten el control y manipulacion de atomos. Estas tecnicas han abierto el campo de las interacciones luz - materia a estudios sobre nuevos efectos y nuevos estados de la materia como el condensado Bose-Einstein o el gas de Tonks-Girardeau.
Esta tesis esta dividida en tres partes. La primera parte estudia iones atrapados y su interaccion con laseres. Los iones quedan atrapados mediante diferentes combinaciones de campos electromagneticos, y pueden ser manipulados y controlados individualmente mediante laseres. En esta primera parte se presenta una generalizacion del concepto de sideband transitions o transiciones de banda lateral, valida para laseres de intensidad y desintonia arbitrarios. Tambien en esta primera parte de la Tesis se estudian los diferentes corrimientos de frecuencia observados en el espectro energetico de un ion atrapado iluminado con un laser.
La segunda parte esta dedicada a mostrar efectos interesantes que se producen en interferometria atomica debido al movimiento cuantico. El uso de atomos en interferometria en lugar de fotones presenta algunas ventajas. Los atomos interaccionan fuertemente con campos electromagneticos debido a su estructura interna, de forma que pueden ser manipulados y controlados de forma muy precisa. Ademas, el hecho de tener masa no nula, permite el estudio de fuerzas gravitacionales. Los efectos debidos al movimiento cuantico se estudian en un interferometro atomico de Mach-Zender, y tambien se estudia la interferometria Ramsey, mostrando que las franjas de interferencia se pueden hacer mas estrechas si los dos campos tienen frecuencias distintas y se controla su diferencia de fase.
Finalmente, la tercera parte trata algunos aspectos novedosos del Efecto Zeno Cuantico. Se comparan medidas pulsadas y continuas en un sistema optico-quantico simple, generalizando resultados anteriores.
En el ultimo capitulo de esta fase se exploran diferentes formas de controlar y manipular el decaimiento exponencial inducido por mediciones frecuentes en sistemas optico-quantico simples. Se examinan la influencia de diferentes factores como la influencia del estado inicial del atomo o el efecto de los terminos contr-rotantes cuando no se aplica la Aproximacion de Onda Rotante o Rotating Wave Approximation (RWA). En particular, a pesar de que los efectos Zeno y anti-Zeno cuanticos estan asociados a dependencias cuadraticas de la probabilidad de supervivencia, se encuentra un efecto anti-Zeno para dependencias lineales de la misma escogiendo adecuadamente el estado inicial y los parametros del laser.