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Stoßwechselwirkungen in Isotopen- und Spinmischungen lasergekühlter metastabiler Neonatome

Schütz, Jan :
Stoßwechselwirkungen in Isotopen- und Spinmischungen lasergekühlter metastabiler Neonatome.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Stoßwechselwirkungen in Isotopen- und Spinmischungen lasergekühlter metastabiler Neonatome
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Laser-cooled metastable neon atoms (Ne*) present a fascinating atomic system: The extremely low kinetic energy of the cold atoms stands in strong contrast to the large internal energy of the metastable state 3P2 and leads to unique collisional interaction properties that are dominated by ionizing collisions. In this work, experimental investigations of the collisional interactions of Ne* are presented. In particular, collisional interactions in isotope mixtures and in mixtures of different Zeeman sublevels (m_J) are studied. With a lifetime of 14.7s, the metastable state 3P2 serves as an effective ground state for the laser manipulation. The Ne* atoms are cooled down to a temperature of several 100µK using laser cooling techniques and stored in a magneto optical or magnetic trap. The cold, trapped atoms can then be used for experiments. In order to cool and trap isotope mixtures, the isotope shift of the atomic transition 3P2-3D3 that is used for laser manipulation has to be known with high precision. In this work, the shift of the transition between the isotopes Ne20, Ne21, and Ne22 has been measured and, using the advantages of laser-cooled atoms, the accuracy of the measurement was improved by one order of magnitude compared to previous measurements. For Ne21 also the hyperfine interaction constants of the state 3D3 for magnetic dipole and electric quadrupol interaction have been measured. The collisional interactions of spin-polarized Ne* in all two-isotope mixtures of Ne20, Ne21, and Ne22 have been investigated. The investigations are focused on the question whether the heteronuclear collisional interactions are favorable for sympathetic cooling. Rate coefficients for heteronuclear ionizing collisions and upper bounds for heteronuclear thermal relaxation cross sections have been measured. In all cases, the measured ratio of elastic to inelastic collisions is not favorable for heteronuclear sympathetic cooling. For the two bosonic isotopes, Ne20 and Ne22, experimental methods for the preparation of all 3P2 Zeeman sublevels m_J=+2, +1, 0, -1, -2 as well as controlled spin mixtures in the five-level system m_J=+2, ..., -2, in the three-level system m_J=+2, +1, 0, and in the two-level system m_J=+2, +1 have been developed. The methods are based on different radio frequency and laser pulse sequences. The state evolution is explained quantum-mechanically and with a semi-classical model. The coherence properties of the prepared states have been studied using Ramsey and spin echo measurements. The ion rates of the spin mixtures show a pronounced m_J-state dependence. The lowest ion rates have been measured when the atoms were prepared in spin-stretched states, i.e. either all atoms in m_J=+2 or all atoms in m_J=-2. For all other states larger rates of ionizing collisions have been measured. The difference between the rates is much larger for Ne20 than for Ne22.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Atomphysik, Laserkühlung, Stoßwechselwirkungen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
laser-cooling, collisional interactionsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 09 Aug 2013 09:49
Last Modified: 09 Aug 2013 09:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35718
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Walser, Prof. Dr. Reinhold
Refereed: 3 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3571
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