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Cold collisions of metastable neon atoms

Cop, Christian :
Cold collisions of metastable neon atoms.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Cold collisions of metastable neon atoms
Language: English
Abstract:

In this thesis we investigate theoretically the cold collision properties of metastable neon (Ne*). The collisions of metastable rare gases (Rg*) exhibit a plethora of interesting phenomena: Due to the high internal excitation energies of the metastable atoms ionization processes are very likely. The produced ions can be detected with single-ion efficiency in the experiment. In experiments with atomic Rg* gases at cold temperatures T~1 mK, this allows for in-situ monitoring of the real-time dynamics of the atomic gas and for example for the study of two-particle correlations. Furthermore, in cold Rg* gases one can examine the prospects of creating a Bose-Einstein condensate or a degenerate Fermi gas of Rg*. Ne* is a promising candidate for Bose-Einstein condensation and in the group of G. Birkl the properties of cold gases of Ne* are investigated experimentally. Two-body loss rate coefficients due to the ionization processes and elastic cross sections have been measured. It is useful to complement the experimental measurements with a theoretical study in order to obtain a better understanding of the cold Ne* gases and the collision physics of Ne*. At the low temperatures of the atomic gases, these gases are dilute with particle number densities of n~10^9 cm^{-3}. For these low densities, the behavior of the gas is determined mainly by two-body collision physics which is solved by quantum scattering theory in terms of the S matrix. The collision physics is given by short-range interactions and long-range interactions of the atoms. The short-range and long-range interaction potentials of Ne* have been calculated in the molecular basis of Ne2.

In this thesis we first calculate short-range and long-range interactions of atoms and molecular basis states of diatomic molecules with a simpler electronic structure than Ne* and Ne2 in order to introduce the notation and to discuss the characteristics of the calculated molecular interaction potentials and in order to employ them in the scattering calculations for Ne*. Instead of solving the full scattering equations by taking into account all the molecular interaction potentials, we demonstrate that the collision physics of Ne* can be described in terms of a coupled two-channel model with a single interaction potential only which describes the elastic scattering of Ne*. In this model, ionization in Ne* collisions is described by the transition of the upper elastic interaction channel to the lower channel, representing the loss or ionization channel. We introduce two versions of the two-channel model in this work. In the first version, the two channels are given by square-well potentials. We can solve the scattering equations analytically and for complex wave numbers k and study the solutions in the complex k plane. With an expansion of the S matrix in terms of its poles in the complex k plane we find a parametrization of the two-body loss rate coefficients. We show that these coefficients describe ionizing collisions of Ne* by comparing them to the experimental measurements and to the numerical results obtained by the two-channel model in the second version. In this second version of the two-channel model, the elastic scattering channel is given by a realistic interaction potential of Ne*, consisting of a calculated short-range and long-range molecular potential, and the loss channel by a model ionization potential. For this model we calculate the two-body loss rate coefficients and the elastic cross sections for the isotope mixtures of Ne* which have been measured experimentally and demonstrate that the free potential parameters can be optimized to the experimental data to achieve very good agreement of the numerical results with the experimental measurements. We discuss the validity of the two-channel model by comparing the results to existing models for cold Rg* collisions and find that the two-channel model of this work is a useful extension to these models.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit untersuchen wir theoretisch die kalten Stoßeigenschaften von metastabilem Neon (Ne*). Stöße von metastabilen Edelgasen (Rg*) zeigen eine Vielzahl interessanter physikalischer Phänomene: Durch die hohe Anregungsenergie der metastabilen Atome kommt es bei Stößen mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Ionisation. Die entstehenden Ionen können im Experiment mit Einzelionen-Sensitivität detektiert werden. In kalten atomaren Rg* Gasen mit Temperaturen T~1 mK wird es dadurch möglich, die Dynamik des Gases in Echzeit zu beobachten und zum Beispiel Zwei-Teilchen-Korrelationen zu untersuchen. Ebenfalls kann man in den kalten atomaren Rg* Gasen die Möglichkeit untersuchen, Bose-Einstein Kondensate oder entartete Fermi-Gase zu erzeugen. Ne* ist ein vielversprechender Kandidat für Bose-Einstein Kondensation und die Arbeitsgruppe von G. Birkl untersucht daher experimentell die Eigenschaften kalter atomarer Ne* Gase. Im Experiment wurden Zwei-Körper-Verlustraten-Koeffizienten durch Ionisationsprozesse und elastische Streuquerschnitte gemessen. Die vorliegende Arbeit soll die experimentellen Messungen mit einer theoretischen Untersuchung komplementieren, um ein besseres Verständnis der Eigenschaften der Ne* Gase und der Stoßeigenschaften von Ne* zu erhalten. Bei den niedrigen Temperaturen der atomaren Gase sind diese mit Teilchenzahldichten von n~10^9 cm^{-3} stark verdünnt. Deren Verhalten ist dann durch die Zwei-Körper-Stoßphysik bestimmt, die in der Streutheorie durch die S Matrix beschrieben wird. Die Stoßphysik ist zum einen gegeben durch kurzreichweitige Wechselwirkungen und zum anderen durch langreichweitige Wechselwirkungen der Atome. Die kurz- und langreichweitigen Wechselwirkungspotenziale für Ne* wurden in der molekularen Basis von Ne2 bestimmt. Um die Notation dieser Wechselwirkungspotenziale einzuführen, deren Charakteristiken zu diskutieren und um diese Potenziale in den Streurechnungen für Ne* zu verwenden, berechnen wir in der vorliegenden Arbeit zunächst kurzreichweitige und langreichweitige Wechselwirkungen von Atomen und molekulare Zustände von diatomaren Molekülen die eine einfachere elektronische Struktur als Ne* und Ne2 aufweisen. Wir werden in dieser Arbeit zeigen, dass man anstatt die vollen Streugleichungen inklusive aller Wechselwirkungspotenziale lösen zu müssen, die Streuphysik von Ne* durch ein Zwei-Kanal-Modell beschreiben kann, indem nur ein einziges Wechselwirkungspotenzial zur Beschreibung der elastischen Streuung von Ne* verwendet wird. In diesem Modell werden die Ionisationsprozesse in Stößen von Ne* durch den Übergang von oberem elastischen Streukanal zu unterem Kanal, der den Ionisations- oder Verlustkanal darstellt, beschrieben. Wir stellen dieses Modell in zwei verschiedenen Varianten vor. In der ersten Variante sind die zwei Kanäle durch Kastenpotenziale gegeben. Wir können die Streugleichungen für dieses Modell analytisch und für komplexe Wellenzahlen k lösen und die Lösungen in der komplexen k Ebene untersuchen. Mit einer Entwicklung der S Matrix durch ihre Pole in der komplexen k Ebene parametrisieren wir die Zwei-Körper-Verlustraten-Koeffizienten. Wir zeigen, dass diese Koeffizienten die Ionisation in Ne* Stößen beschreiben, indem wir sie mit den experimentellen Messungen und den Resultaten des Zwei-Kanal-Modells in seiner zweiten Variante vergleichen. In dieser zweiten Variante des Zwei-Kanal-Modells ist der elastische Streukanal durch ein realistisches Potenzial für Ne*, bestehend aus bekanntem kurz- und langreichweitigen Wechselwirkungspotenzial, und der Verlustkanal durch ein Modell-Ionisationspotenzial gegeben. Für dieses Modell berechnen wir die Zwei-Körper-Verlustraten-Koeffizienten und elastischen Streuquerschnitte für die im Experiment untersuchten Isotopen-Mischungen von Ne*. Eine Optimierung der freien Potenzial-Parameter an die experimentellen Daten führt zu einer sehr guten Übereinstimmung der berechneten und gemessenen Streuraten. Wir diskutieren die Gültigkeit des Zwei-Kanal-Modells, indem wir es mit bereits vorhandenen Modellen zur Beschreibung von Rg* Stößen vergleichen und zeigen, dass das Zwei-Kanal-Modell der vorliegenden Arbeit eine nützliche Erweiterung der vorhandenen Modelle darstellt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Theorie kalter Quantengase, Quantenoptik, Technische Optik
Date Deposited: 12 Jun 2017 10:59
Last Modified: 12 Jun 2017 10:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62683
Referees: Walser, Prof. Dr. Reinhold and Gerhard, Prof. Dr. Birkl
Refereed: 24 May 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6268
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