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Controlled manipulation of atoms in Rydberg quantum states for application in experiments with antihydrogen

Wolz, Tim (2022):
Controlled manipulation of atoms in Rydberg quantum states for application in experiments with antihydrogen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020310,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Controlled manipulation of atoms in Rydberg quantum states for application in experiments with antihydrogen
Language: English
Abstract:

Antihydrogen atoms are synthesized via charge-exchange or three-body-recombination processes for stringent CPT symmetry and gravity tests on antimatter at CERN's Antiproton Decelerator. While the atoms are produced in a wide range of highly excited Rydberg states, experiments rely on ground state antihydrogen which are currently obtained only via spontaneous emission. Due to radiative lifetimes of the order of milliseconds, the decay toward ground state is slow.

Magnetic neutral-atom traps allow to hold onto the initially formed antihydrogen. Here, ground state atoms are obtained via spontaneous decay along the trapping potential and spectroscopy measurements can be performed inside the trap. Typical traps capture maximum temperatures (for ground state atoms) of roughly 500mK. State-of-the-art formation temperatures, however, lie around 40K. Due to the large difference between formation and trappable temperature, currently best achieved trapping fractions of antihydrogen amount to only 0.01%.

As an alternative, the formed anti-atoms can be extracted out of their formation region into a beam allowing for close to field-free measurements. At the given velocities, the Rydberg radiative decay toward ground state is too slow to establish a significant population of the ground state through spontaneous emission even within a few meter long beam path. In addition, an efficient beam formation would require antihydrogen in ground state close to the formation region.

This work thus deals with the controlled manipulation of Rydberg atoms to stimulate their decay toward ground state. In order to address the initial distribution of Rydberg levels with deexcitation lasers, state-mixing can be achieved through pulsed electric fields that are added to the already present magnetic one in state-of-the-art formation traps. Another possibility lies in mixing the states with light in the THz and microwave frequency range. In both cases, visible lasers allow to very efficiently transfer the mixed population toward the ground state via intermediate strongly bound states that decay on a few nanosecond timescales.

In a three-body-recombination reaction the capture of positrons into a bound state of antiprotons can be enhanced relying on stimulated radiative recombination. This approach can be combined with the developed techniques to deexcite bound levels. In trap experiments use-cases of deexcitation for cooling within a magnetic field gradient to enhance the trapping fraction of antihydrogen atoms exist.

The second part of the thesis deals with the experimental implementation of the methods theoretically identified in part one. Deexcitation light sources are tested and a hydrogen Rydberg beamline for a proof-of-principle experiment is designed, built and commissioned. Different Rydberg beam production schemes are discussed and experimentally assessed. Rydberg state formation is observed within a microwave discharge plasma and a hydrogen 2s to Rydberg excitation laser is commissioned.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Antiwasserstoffatome werden durch Ladungsaustausch oder Drei-Körper-Rekombination für CPT-Symmetrietests und Gravitationsmessungen mit Antimaterie am Antiprotonen-Entschleuniger des CERN synthetisiert. Während die Atome in einer Verteilung hochangeregter Rydberg-Zustände erzeugt werden, sind Experimente auf Antiwasserstoff im Grundzustand angewiesen. Dieser wird derzeit lediglich durch spontane Emission bevölkert. Aufgrund der Lebensdauer der Zustände in der Größenordnung von Millisekunden ist der Zerfall in den Grundzustand langsam.

Magnetische Fallen ermöglichen es, den produzierten Antiwasserstoff einzuschließen. Hier zerfallen Atome durch spontane Emission entlang des Fallenpotentials in den Grundzustand und Spektroskopiemessungen können innerhalb der Falle durchgeführt werden. Für Atome im Grundzustand liegen typische Fallentiefen bei Temperaturen von etwa 500mK. Die Temperaturen nach der Antiwasserstoff-Synthese betragen aktuell jedoch etwa 40K. Aufgrund dieser Diskrepanz liegt die derzeitige Effizienz mit der Antiwasserstoffatome in Fallen eingeschlossen werden können bei lediglich 0.01%.

Alternativ besteht die Möglichkeit die synthetisierten Atome in einem Strahl aus der Produktionsfalle zu extrahieren, was nahezu feldfreie Messungen ermöglicht. Bei den gegebenen Geschwindigkeiten ist der Zerfall der Rydbergzustände in den Grundzustand jedoch so langsam, dass durch spontane Emission selbst entlang eines mehrere Meter langen Strahlwegs keine signifikante Population des Grundzustands möglich ist. Darüber hinaus würde eine effiziente Strahlherstellung Antiwasserstoff im Grundzustand nahe der Produktionsfallen erfordern.

Diese Arbeit befasst sich folglich mit der kontrollierten Manipulation von Rydberg-Atomen, um ihren Zerfall in den Grundzustand gezielt zu stimulieren. Die anfängliche Verteilung von Rydberg-Niveaus wird durch gepulste elektrische Felder, die zusätzlich zu dem bereits vorhandenen magnetischen Feld in der Produktionsfalle eingebracht werden, gemischt. Eine Alternative besteht darin, Zustandsmischung mit Licht im THz- und Mikrowellen-Frequenzbereich zu erreichen. In beiden Fällen können Laser eingesetzt werden, um sehr effizient Übergänge zu stark gebundenen Atomniveaus zu stimulieren, die innerhalb von wenigen Nanosekunden in den Grundzustand zerfallen.

Während einer Drei-Körper-Rekombination erlaubt der Einsatz von Lasern den Übergang von Positronen in einen gebundenen Zustand von Antiprotonen durch stimulierte Rekombination zu verstärken. Dieser Ansatz ist mit den entwickelten Techniken zur Abregung gebundener Niveaus kombinierbar. In Fallenexperimenten ermöglicht die Abregung innerhalb eines Feldgradienten außerdem Antiwasserstoff zu kühlen, um folglich den Anteil einfangbarer Atome zu erhöhen.

Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der experimentellen Umsetzung der zuvor theoretisch untersuchten Methoden. Es werden Abregungslichtquellen getestet und ein angeregter Wasserstoff-Strahl für eine Machbarkeitsstudie konzeptioniert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Rydberg-Zuständen werden diskutiert und experimentell ergründet. Die Bildung von hoch angeregten Zuständen in einem Wasserstoffplasma wird untersucht. Zur optischen Anregung von Rydberg-Niveaus in Wasserstoff wird ein Laser entwickelt.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 147 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 23 Feb 2022 13:22
Last Modified: 23 Feb 2022 13:22
DOI: 10.26083/tuprints-00020310
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203109
Referees: Pietralla, Prof. Dr. Norbert ; Malbrunot, Dr. Chloé
Date of oral examination: 15 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20310
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