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Kühlen und Fangen von neutralen Hg-Atomen

Villwock, Patrick / PV :
Kühlen und Fangen von neutralen Hg-Atomen.
TU Darmstadt / Institut für Angewandte Physik
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kühlen und Fangen von neutralen Hg-Atomen
Language: German
Abstract:

Natürliches Quecksilber bietet eine Vielzahl möglicher Experimente auf dem Gebiet der kalten Atom- und Molekülphysik. Durch Photoassoziation erzeugte kalte Hg-Dimere lassen sich aufgrund der Struktur ihrer Potentialkurven in den Schwingungsgrundzustand pumpen. Hg-Dimere des Isotops 199Hg eignen sich zum Testen der Bell’schen Ungleichungen für Atome, da sie im Grundzustand ideale Spin-1/2-Teilchen darstellen. Als schweres Dimer eignet sich Quecksilber ideal zur Suche nach einem permanenten elektrischen Diplomoment. Weiter bietet der 1S0-3P0-Übergang mit einer Wellenlänge von 265,6 nm und einer natürlichen Linienbreite von ca. 100 mHz als Uhrenübergang an. Eine optische Gitteruhr basierend auf neutralen Hg-Atomen könnte eine unerreichte systematische Ungenauigkeit im 10^-18-Bereich bieten. Der Vergleich verschiedener Zeitstandards eignet sich zur Untersuchung einer möglichen zeitlichen Variation der Feinstrukturkonstante. Kalte gefangene Hg-Atome in einer magneto-optischen Falle (MOT) stellen eine hervorragende Quelle für eine Ionenfeinstrahlanlage dar. Die Isotopenselektivität der MOT bietet die Möglichkeit zur Produktion reiner Hg-Isotope. Quecksilber bietet fünf bosonische und zwei fermionische stabile Isotope. Die als Kühlübergang eingesetzte Interkombinationslinie 1S0-3P1 bei 253,7 nm hat eine Sättigungsintensität von 10,2 mW/cm2, mit einer natürlichen Linienbreite von 1,27 MHz. Da der Grundzustand keine Fein- oder Hyperfeinstruktur aufweist, ist der Übergang geschlossen, so dass kein Rückpumplaser benötigt wird. Die vergleichsweise lange Lebensdauer des Übergangs führt zu einer geringen Doppler-limitierten Temperatur von 30 uK. Diese Arbeit stellt die Entwicklung und den Aufbau einer MOT für neutrale Hg-Atome vor. Zum Kühlen und Fangen von Hg-Atomen war die Entwicklung eines bis heute nicht erhältlichen Lasers notwendig. Die Anforderungen an diesen Laser sind aufgrund der relativ hohen Sättigungsintensität und der geringen natürlichen Linienbreite und Wellenlänge des Kühlübergangs sehr hoch. Die entwickelte UV-Laserquelle basiert auf einem schmalbandigen, weitverstimmten single-mode und single-frequency Yb:YAG Scheibenlaser mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung von 5 W bei einer Wellenlänge von 1014,9 nm. Durch zweifache externe Frequenzverdopplung wird eine bisher unerreichte Laserleistung von 280 mW bei 253,7 nm generiert. Als nichtlineares Medium werden ein LBO- und ein BBO-Kristall innerhalb zweier getrennter Überhöhungsresonatoren eingesetzt. Diese Resonatoren werden nach dem Hänsch-Couillaud- bzw. Pound-Drever-Hall-Verfahren stabilisiert. Die Stabilisierung der Fundamentalen erfolgt mittels Sättigungsspektroskopie an einer Hg-Zelle. Dies ermöglicht die absolute Stabilisierung auf den atomaren Übergang des zu fangenden Isotops mit Frequenzmodulationsspektroskopie. Mit diesem Laser und dem in dieser Arbeit beschriebenen experimentellen Aufbau wurden erste Experimente zum Kühlen und Fangen von Hg-Atomen in einer 3D-MOT durchgeführt. Quecksilber stellt das bisher schwerste nichtradioaktive Element dar, das in einer MOT gefangen wurde. Bis heute gibt es weltweit nur zwei Arbeitsgruppen, die in der Lage sind, Quecksilber in einer MOT zu kühlen und zu fangen. An der TU Darmstadt wurde unter Verwendung der beschriebenen Laserquelle (3,2+-0,3)x10^6 202Hg-Atome in die 3D-MOT geladen. Dies stellt die höchste bisher berichtete Anzahl gefangener Hg-Atome dar, die aus dem Hintergrundgas geladen wurden. Erstmals wurden die Dimension und die Dichte einer solchen Atomwolke bestimmt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mercury offers numerous opportunities for experiments in cold atomic and molecular physics. Due to the particular energy level structure of the Hg-dimer it should be possible to efficiently populate the rovibrational ground state by employing a particular absorption-emission scheme after the dimers have been formed via photo association. Cold 199Hg-atoms in the ground state are very well suited for testing the Bell equations with atoms, because they are ideal spin-1/2-particles. Hg-dimers would be optimal for the search of a permanent electrical dipole moment, due to their mass. An optical lattice clock based on neutral mercury atoms using the 1S0-3P0 clock transition at 265.6nm with a natural linewidth of about 100 mHz is predicted to reach an accuracy better than 10-18. The frequency ratio of two optical clocks exhibits the opportunity to test the temporal variaton of the fine-structure constant. Laser-cooled neutral Hg-atoms in a magneto-optical trap (MOT) represent a high quality source for a focused ion beam. The isotope selectivity of a MOT offers the potential of producing pure Hg-Isotopes. Mercury has two stable fermionic and five stable bosonic isotopes. The 1S0-3P1 intercombination line at 253.7 nm has a saturation intensity of 10.2mW/cm^2, with a natural linewidth of 1.27 MHz. This cooling transition is closed since the ground state is free of fine- and hyperfine structure. Consequently no additional repumping is required. Due to the relatively long lifetime of this trapping transition the Doppler limited temperature is 30 uK. This thesis presents the development and experimental setup of a magneto-optical trap for neutral mercury atoms. This undertaking required the development of a commercially unavailable laser source in order to cool and trap Hg-atoms. The cooling transition sets high demands on such a cutting-edge laser, due to its relatively high saturation intensity as well as the fairly small natural linewidth and wavelength. The UV-laser that has been developed is based on a narrow, detuned single-mode and single-frequency Yb:YAG disk laser with a continuous output power of 5 W at the required wavelength of 1014.9 nm. Up to 280 mW at the desired wavelength of 253.7 nm are provided by the use of two external frequency doubling cavities. As a nonlinear medium a LBO- and BBO-crystal is inserted into two separate build-up cavities. One of these two cavities is stabilized by the implementation of the Hänsch-Couillaud-technique, while the other is stabilized by implementation of the Pound-Drever-Hall technique. The fundamental wavelength is stabilized by way of saturation spectroscopy to a Hg-Cell at room temperature. In this manner an absolute stabilization onto the atomic transition of the trapped isotope is achieved using frequency modulation spectroscopy. This laser combined with the presented experimental setup was used for experiments in cooling mercury atoms and trapping them within a 3D-MOT. Mercury is the heaviest non-radioactive element, that has been trapped in a MOT. To this day there are only two other groups who are able to cool and trap mercury atoms within a MOT. At the TU Darmstadt up to (3.2+-0.3)x10^6 202Hg-atoms were loaded into a 3D-MOT. This is the highest reported number of Hg-atoms that have been captured from the background vapor. For the first time the dimension and density of such a cloud of Hg-atoms has been measured.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Angewandte Physik
Date Deposited: 12 Jan 2010 13:55
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20268
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Gerhard, Prof. Dr. Birkl
Refereed: 16 December 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2026
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