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Collisional interaction between metastable neon atoms

van Drunen, Wouter Johannes :
Collisional interaction between metastable neon atoms.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Collisional interaction between metastable neon atoms
Language: English
Abstract:

In this thesis, the study of cold gases of neon atoms in different metastable states is described. It contains measurements of the collisional parameters for both the 3s[3/2]2 and the 3s'[1/2]0 metastable state and the dependence of the inelastic loss on external fields. Furthermore, the investigation of frequency dependent laser-induced collisions, and the possibility to excite photoassociation resonances is presented. Based on previous measurements we have selected 22Ne for evaporative cooling. Although, we can experimentally achieve an increase in phase-space density with evaporative cooling, the relatively high inelastic collision parameters prevent the realization of a Bose-Einstein condensate in neon. For the measurements described here, neon atoms have been confined in a magneto-optical trap, in a magnetostatic trap, or in an optical dipole trap, respectively. By laser cooling inside the magnetic trap, atomic samples with more than 95 percent occupation of the magnetic substate m=+2 could be prepared. They have a typical temperature of 0.5 mK, central densities up to 1e11 cm^-3, and a central phase-space density of up to 2.2e-7. After loading the optical dipole trap from the magnetic trap, 2.5e6 atoms with typical temperatures of 0.1 mK, and central densities up to 5e10 cm^-3 were trapped. By evaporative cooling of the atoms in the magnetic trap we could increase the phase-space density by a factor of 200 to 5e-5. Also simulations of optimized evaporation for our experimental parameters show clearly that we are limited to a phase-space density on the order of 1e-5. From these simulations it became clear that a 5-fold increase in the "good-to-bad" ratio for evaporative cooling suffices to reach the quantum degenerate regime. Investigating the frequency dependence of laser-induced collisions did not reveal an experimental signature for the excitation of photoassociation resonances. For the 3D3 line a frequency dependence of laser enhanced Penning ionization was observed, which is interesting in itself. The absence of the collisional enhancement effect by laser light for the transition to the 3D2 line is intriguing and for an explanation calculations are required. Measurement of the two-body loss coefficient as function of the magnetic field showed a field dependence of the inelastic loss. These losses increase towards both small and large offset fields. In the magnetic trap, we are limited to offset fields < 50 G. In this range of fields, the two-body losses are too large to achieve a Bose-Einstein condensate of magnetically trapped metastable neon. The implementation of an optical dipole trap allowed us to trap the 3P0 metastable state. From the trap loss measurements we determined the two-body loss coefficient of the 3P0 metastable state for both bosonic isotopes 20Ne and 22Ne. For 20Ne we obtained ß=6(+5,-4)e-10 cm^3/s and for 22Ne ß=11(+7,-6)e-10 cm^3/s. These large two-body losses make it extremely unlikely to reach degeneracy with this metastable state. Nevertheless it is important that the 3P0 metastable state can be trapped to investigate other interesting physical effects. For example, it is essential to apply the STIRAP technique for trapped atoms and to realize the proposed coherent control of collisions. There is also a large interest in a precise determination of the lifetime of this metastable state, which is of importance for the verification of QED. We can also trap neon atoms in their energetically lowest magnetic substate 3P2(m=-2) with the perspective of reducing inelastic collisions in the energetically lowest state.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit kalten Gasen aus Neonatomen in verschiedenen metastabilen Zuständen. Hierbei wird auf die Untersuchung der Stoßparameter für die 3s[3/2]2 und 3s’[1/2]2 metastabilen Zustände und die Abhängigkeit der inelastischen Stoßparameter von externen Feldern eingegangen. Des weiteren werden die Resultate der frequenzabhängigen laser-induzierten Stöße mit der Möglichkeit zur Anregung photoassoziativer Resonanzen beschrieben. Basierend auf vorherigen Messungen wurde 22Ne für die Verdampfungskühlung ausgewählt. Obwohl eine Erhöhung der Phasenraumdichte experimentell erreicht werden kann, erschweren die Zwei-Körper-Verlust-Parameter die Realisation eines Bose-Einstein-Kondensates metastabilen Neons auf direkten Weg. Für die hier beschriebenen Messungen wurden Neonatome in einer magneto-optischen Falle, in einer magnetostatischen Falle bzw. in einer optischen Dipolfalle gespeichert. Durch Laserkühlung innerhalb der Magnetfalle konnten Ensembles mit über 95% Besetzung des magnetischen Unterzustandes m=+2 präpariert werden. Sie weisen eine typische Temperatur von 0,5 mK, eine zentrale Dichte von bis zu 1e11 cm^-3 und eine zentrale Phasenraumdichte von bis zu 2,2e-7 auf. Nach dem Laden der Dipolfalle sind 2,2e6 Atome mit einer typischen Temperatur von 0,1 mK und einer zentralen Dichte von bis zu 5e10 cm^-3 gefangen worden. Mit Hilfe der Verdampfungskühlung in der Magnetfalle konnte die Phasenraumdichte um einen Faktor 200 bis zu 5e-5 erhöht werden. Simulationsrechnungen der optimierten Verdampfungskühlung für typische experimentelle Parameter zeigen, dass eine maximale Phasenraumdichte in Größenordnung 1e-5 erreichbar ist. Sie zeigen aber auch, dass zum Erreichen des quantenentarteten Regimes eine 5-fache Erhöhung des Verhältnisses von guten zu schlechten Stößen genügt. Bei der Untersuchung frequenzabhängiger laser-induzierter Stöße konnte keine Anregung photoassoziativer Resonanzen beobachtet werden. Für die 3D3 Linie wurde eine Frequenzabhängigkeit der laser-induzierten Penning-Ionisation gemessen. Die Abwesenheit der Erhöhung der Stoßrate für den Übergang zu der 3D2 Linie ist bemerkenswert. Diese Messungen liefern entscheidende Eingangsparameter für weitere theoretische Untersuchungen. Messungen der Zwei-Körper-Verlustraten als Funktion des Magnetfeldes zeigen eine Feldabhängigkeit der inelastischen Verlustprozesse. Diese Verluste steigen für niedrige und auch für hohe Offsetfelder. In der Magnetfalle sind die Offsetfelder auf 50 G begrenzt. In diesem Bereich ist die Zwei-Körper-Verlustrate zu hoch, um die Bose-Einstein Kondensation von magnetisch gefangenem metastabilen Neon zu erreichen. Die Implementierung der optischen Dipolfalle ermöglicht das Fangen des metastabilen Zustandes 3P0. Aus den Fallenverlusten konnte die dichteabhängige Rate inelastischer Stöße sowohl für 20Ne als auch 22Ne bestimmt werden. Für 20Ne beträgt der Verlustparameter ß=6(+5,-4)e-10 cm^3/s und für 22Ne ß=11(+7,-6)e-10 cm^3/s. Aufgrund dieser hohen Zwei-Körper-Verlustrate ist es sehr unwahrscheinlich, dass das quantenentartete Regime mit diesem metastabilen Zustand erreicht werden kann. Weiterhin ermöglicht das Fangen des 3P0 Zustandes zum Beispiel die Implimentierung von STIRAP für gefangene Atome und die Realisierung der vorgeschlagenen kohärenten Kontrollen von Stößen. Die präzise Messung der Lebensdauer dieses metastabilen Zustandes könnte außerdem zur Verifizierung der QED dienen. Es besteht außerdem die Möglichkeit auch Neonatome in ihrem energetisch niedrigsten Zustand 3P2(m=-2) zu fangen, in dem eine weitere Reduzierung der Zwei-Körper-Verluste erwartet wird.German
Uncontrolled Keywords: neon, metastable atoms, interactions, collisions, optical trapping, ultracold atoms, Bose-Einstein condensate, BEC, atomic physics
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
neon, metastable atoms, interactions, collisions, optical trapping, ultracold atoms, Bose-Einstein condensate, BEC, atomic physicsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10683
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Elsäßer, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 7 July 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1068
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  • Collisional interaction between metastable neon atoms. (deposited 17 Oct 2008 09:23) [Currently Displayed]

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