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Laser Spectroscopic Investigation of Exotic States in Noble Gases

Martin, Alexander :
Laser Spectroscopic Investigation of Exotic States in Noble Gases.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Laser Spectroscopic Investigation of Exotic States in Noble Gases
Language: English
Abstract:

The focus of this thesis lies on exotic states of noble gases, in particular metastable neon (Ne*) and boron-like argon ions (Ar13+): the former shows extraordinary collisional properties due to its high internal energy compared to its low kinetic energy. On the other hand, highly charged ions, such as Ar13+, can be used to verify quantum electrodynamics with extremely high accuracy by determining their magnetic moments. These extraordinary atomic states can be probed with methods of laser spectroscopy and allow for deep insights of timely physical question.

The magnetic moment of bound electrons in Ar13+ shall be determined by the energy-splitting of the Zeeman sublevels of the fine structure transition 2P1/2 - 2P3/2 at a wavelength of 441 nm in the magnetic field of a Penning trap. For this, the transition is measured by means of microwave and fluorescence laser spectroscopy. The first part of this thesis presents the laser system for the spectroscopy of Ar13+ and tellurium 130Te2. Using a polarization stabilization scheme, a single-mode diode laser with a high long-term stability of up to two days has been developed. Using a Doppler-free 130Te2-spectroscopy, six lines close to the expected Ar13+ transitions have been characterized with an absolute frequency accuracy of 2.2 MHz. A first characterization of the Ar13+ fluorescence spectroscopy has been conducted with a dark-measurement without ions. During this process, the measured background signal was reduced by three orders of magnitude by optimizing the setup. Thus, a reliable laser system is provided for experiments with ions, as planned for the near future.

The second part of this thesis investigates the two-body collisional interactions of ultra-cold Ne* atoms. Inelastic collisions of Ne* atoms leads to losses due to Penning and associative ionization. The efficient detection of the ions produced by these processes allows for determining the collision rate. For the investigations, a laser-cooled atom cloud is prepared in a magnetic trap at 350 µK. The measurement of the inelastic collision rate in a regime between 20 µK and 350 µK confirms the theoretical predicted temperature-independent rate for 20Ne and 22Ne of mixtures of the Zeeman sublevels mJ = +2 and mJ = +1. Furthermore, the dependence of the collision rate on external magnetic fields has been measured. For fields up to 120 G, a suppression by a factor of 5.6 for 22Ne has been proved. Additionally, the so called δ-kick cooling, a method for manipulating the phase-space density of cold atom clouds, was implemented by using the magnetic trap. This allowed for a variation of the velocity distribution of the cloud over a range, which corresponds to an effective temperature between 10 µK and 460 µK.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf exotischen Zuständen von Edelgasatomen, insbesondere metastabilem Neon (Ne*) und Bor-ähnlichen Argonionen (Ar13+): Während ersteres durch seine hohe interne Energie im Vergleich zur niedrigen kinetischen Energie außergewöhnliche Stoßeigenschaften aufzeigt, lässt sich durch Bestimmung des magnetischen Moments gebundener Elektronen in hoch geladenen Ionen, wie Ar13+, die Quantenelektrodynamik präzise überprüfen. Diese extremen Zustände von Atomen können mit Methoden der Laserspektroskopie untersucht werden und erlauben tiefe Einblicke in aktuelle physikalische Fragestellungen. Das magnetische Moment gebundener Elektronen in Ar13+ soll über die im Magnetfeld einer Penningfalle energetisch-aufgespaltenen Zeeman-Unterzustände des optischen Feinstrukturübergangs 2P1/2 - 2P3/2 bei 441 nm bestimmt werden. Hierzu wird der Übergang mittels Mikrowellen- und Fluoreszenz-Laserspektroskopie untersucht. Diese Arbeit beschäftigt sich im ersten Teil mit der Entwicklung eines Lasersystems für die Spektroskopie von Ar13+ und Tellur 130Te2. Unter Verwendung einer Polarisationsstabilisierung wurde ein einfrequenter Diodenlaser mit einer hoher Langzeitstabilität von bis zu zwei Tagen entwickelt. Mit einer Doppler-freien 130Te2-Spektroskopie wurden sechs Linien in der Nähe der Ar13+-Übergänge mit einer absoluten Frequenzgenauigkeit von 2,2 MHz bestimmt. Eine erste Charakterisierung der Fluoreszenzspektroskopie von Ar13+ in der Penningfalle wurde mit Dunkelmessungen ohne Ionen durchgeführt. Das dabei auftretende Untergrundsignal konnte durch Optimierungen des Aufbaus um drei Größenordnungen reduziert werden. Damit steht das Lasersystem für Experimente an Ionen bereit. Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht die Zweikörper-Stoßwechselwirkung ultrakalter Ne*-Atome. Bei inelastischen Stößen zwischen Ne*-Atomen kommt es zum Teilchenverlust durch Penning- oder assoziativer Ionisation. Der effiziente Nachweis der dabei entstehenden Ionen erlaubt die Bestimmung der Stoßrate. Zur Untersuchung dieser Prozesse wird eine Atomwolke durch Laserkühlung in einer Magnetfalle bei 350 µK präpariert. Die Bestimmung der inelastischen Stoßrate in Abhängigkeit der relativen Kollisionsenergie im Bereich zwischen 20 µK und 350 µK bestätigt die theoretisch vorhergesagte, temperaturunabhängige Rate für 20Ne und 22Ne in Mischungen der Zeeman-Unterzustände mJ = +2 und mJ = +1. Des Weiteren wurde der Einfluss externer Magnetfelder auf die Stoßrate gemessen. Hier wurde bei Feldern bis 120 G eine Unterdrückung der Stoßrate um einen Faktor 5,6 für 22Ne nachgewiesen. Außerdem wurde die sogenannte δ-Stoßkühlung, eine Methode zur Manipulation des Phasenraumvolumens kalter Atomwolken, mit Hilfe der Magnetfalle realisiert. Damit ließ sich die Impulsverteilung der Wolke über einen Bereich variieren, welcher einer effektiven Temperatur von 10 µK und 460 µK entspricht.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Atoms Photons Quanta
Date Deposited: 23 Aug 2017 05:43
Last Modified: 23 Aug 2017 05:43
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-66662
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 26 April 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6666
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