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Titelaufnahme

Titel
Ultracold homonuclear cesium molecules : efficient production, collisional properties and stability measurements / by Dipl.-Phys. Katharina Jag-Lauber
VerfasserJag-Lauber, Katharina
Betreuer / BetreuerinnenNägerl, Hanns-Christoph
ErschienenInnsbruck, April 2018
Umfangvi, 179 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversity of Innsbruck, Dissertation, 2018
Datum der AbgabeApril 2018
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Ultrakalte Moleküle / Ultrakalte Quantengase / optische Gitter / Feshbach Resonanzen / RRKM Theorie / ultrakalte Kollisionen / Cäsium / evaporatives Kühlen / Laserkühlung / Bose-Einstein Kondensate
Schlagwörter (EN)Ultracold molecules / Ultracold quantum gases / optical lattice / Feshbach resonances / RRKM theory / ultracold collisions / cesium / evaporative cooling / laser cooling / Bose-Einstein condensates
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-23447 Persistent Identifier (URN)
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Ultracold homonuclear cesium molecules [12.4 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die erfolgreiche Erzeugung ultrakalter atomarer Quantengase, die den Zustand der Entartung erreicht haben, hat die Atomphysik, Molekülphysik und auch die optische Physik regelrecht revolutioniert und zu einer Vielzahl von neuen Erkenntnissen geführt. Hierdurch wurde zudem die Zusammenarbeit zwischen vormals stärker getrennten Forschungsbereichen inspiriert und verstärkt. Ein ähnlicher Antrieb der Forschung kann von der Erzeugung von Proben ultrakalter Moleküle in einem wohldefinierten Quantenzustand mit hoher Teilchenzahldichte erwartet werden. Die zusätzlichen Freiheitsgrade, die ein Molekül bietet, und die langreichweitigen Dipolkräfte zwischen heteronuklearen Molekülen können genutzt werden, um Licht auf ungelöste Rätsel, wie beispielsweise den genauen Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung, zu werfen. In dieser Arbeit werden Experimente mit homonuklearen Cäsiummolekülen im rovibronischen Grundzustand vorgestellt, die sich mit deren Stoßeigenschaften beschäftigen. Die Moleküle werden in einem dreidimensionalen optischen Gitter erzeugt, dessen Geometrie für die Messungen so verändert werden kann, dass die Moleküle in einer ein- oder zweidimensionalen Umgebung miteinander wechselwirken können. Alternativ kann durch das vollständige Entfernen der Gitterstruktur auch die Stabilität des molekularen Gases in einer gekreuzten Dipolfalle untersucht werden. Wir können die Moleküle in verschiedenen Rotations- oder Vibrationszuständen erzeugen, was uns erlaubt, das Verhalten von Molekülen in energetisch angeregten Zuständen, bei denen Zerfall in energetisch niedrigere Zustände möglich ist, mit dem Verhalten von Molekülen im energetisch niedrigsten Zustand zu vergleichen. Eine Verbesserung des Lasersystems, das für den Grundzustandstransfer verwendet wird, hat die Effizienz des Transfers auf mehr als 80% erhöht. Die molekularen Gase haben damit eine Reinheit erreicht, die erlaubt, aussagekräftige Stoßexperimente durchzuführen. In einer ersten Reihe von Experimenten untersuchen wir die Wechselwirkungseigenschaften von Molekülen in einer zweidimensionalen Fallengeometrie. Wir beobachten einen sofortigen und starken Teilchenverlust, der unabhängig vom gewählten Magnetfeld und vom Vibrationszustand der Moleküle auftritt. Für Moleküle in einem angeregten Vibrationszustand verbinden wir diesen Verlust mit zustandsverändernden Kollisionen, bei denen interne Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. In diesem Fall können die Zerfallskurven mit einem einfachen Zweikörperverlustmodell gefittet werden. Bei Molekülen im energetisch niedrigsten Zustand können solche Kollisionen jedoch nicht auftreten und ein einfacher Zweikörperverlust reicht nicht aus, um die Zerfallskurve zu beschreiben. Wir vergleichen daher unsere Daten mit einer Theorie, welche die Bildung von langlebigen Vierteilchenkomplexen vorhersagt. Als Grund für die Komplexbildung wird hier die große Zahl von Rotations und Vibrationszuständen, die das Streupotential zweier Moleküle beherbergt, angeführt. Die Lebensdauer der Komplexe hängt direkt mit der Dichte der energetisch erreichbaren Vierkörperzuständen zusammen und kann mehrere hundert Millisekunden betragen. Wirklicher Teilchenverlust aus der Falle rührt in diesem Szenario nur von Stößen zwischen einzelnen Molekülen und Komplexen her. Der anfängliche Zerfall entspricht in diesem Falle daher wieder einem Zweikörperverlust, verursacht durch die Bildung von Stoßkomplexen. Für längere Zeiten jedoch wird ein anderes Verhalten erwartet, da dann Komplexauflösung und das damit verbundene Wiedererscheinen von Molekülen und Molekül-Komplex Kollisionen den Zerfall beeinflussen. Wir untersuchen außerdem die Stabilität eines gemischten Gases aus Grundzustandsatomen und Grundzustandsmolekülen in eindimensionalen, entkoppelten Röhren mit einem schwachen Gitter entlang der Röhre. Aufgrund der unterschiedlichen Masse und Polarisierbarkeit erfahren die Moleküle eine größere Gittertiefe als die Atome. Wir nutzen diesen Umstand um die Position der Moleküle in den Röhren mit dem zusätzlichen Gitter zu fixieren und gleichzeitig Tunneln der Atome innerhalb der Röhren zu erlauben. In diesem Aufbau werden Molekül-Molekül Stöße ausgeschlossen und die Dynamik wird von der Atom-Molekül-Wechselwirkung bestimmt. Basierend auf der Theorie, die wir für die Beschreibung der Molekül-Molekül-Kollisionen verwenden, werden auch hier Kollisionskomplexe, nun gebildet aus einem Atom und einem Molekül, erwartet - jedoch mit einer deutlich geringeren Lebensdauer. Wir zeigen, dass unsere experimentelle Situation unter Einbeziehung des Quanten-Zeno-Effekts behandelt werden kann, um aus den Verlustkurven wichtige Größen, wie die Bildungsrate der Komplexe und ihre Lebensdauer, zu bestimmen. Die Hyperfeinzustände von Molekülen in angeregten Rotationszuständen erfahren sogenannte “avoided crossings” (a.c.) in Abhängigkeit des angelegten magnetischen Feldes. Mithilfe der Magnetfeldpositionen dieser a.c. können z.B. Berechnungen zur Hyperfeinstruktur der Moleküle verbessert werden. Wir bestimmen die Magnetfeldpositionen einiger a.c. in einem Gas von Molekülen in einem angeregten Rotationszustand in einem dreidimensionalen optischen Gitter, indem wir die Zahl der Moleküle für eine variable Haltezeit bestimmen. Überraschenderweise finden wir dabei auch zusätzliche Verlustresonanzen, die eine Abhängigkeit von der Fallengeometrie und der Anordnung der Moleküle im Gitter zu haben scheinen. Diese bisher nicht vollständig verstandenen Verluste motivieren zukünftige Experimente und verlangen nach einer aufwändigere theoretische Behandlung.

Zusammenfassung (Englisch)

The successful production of samples of ultracold atoms that have reached quantum degeneracy has revolutionized the field of atomic, molecular and optical physics and enforced collaborations between researchers from different fields of studies. A comparable effect on current and future research can be expected from the production of high-density samples of ultracold molecules in a defined quantum state. Here, the additional degrees of freedom available in molecular systems in addition to the long-range dipolar interaction between two heteronuclear molecules are expected to elucidate long-standing puzzles, such as the inner workings of high-temperature superconductivity. This thesis presents a series of experiments that investigate the scattering behavior of a sample of homonuclear cesium molecules in the rovibronic ground state. We employ a threedimensional optical lattice potential for the creation of the molecules. The lattice potential can be altered for the measurements, such that the molecules are either confined in twodimensional traps, or in one-dimensional tubes. Alternatively, the lattice structure can be removed completely to allow for a study of the stability of the molecular sample in a crossed optical dipole trap. Furthermore, the molecules can be prepared in different rotational and vibrational states, allowing us to compare the behavior of molecules in excited states, where internal-state relaxation to energetically lower-lying states can take place, to the behavior of molecules in the energetically lowest state of the ground-state potential. An improvement of the laser system that is used for molecule-state transfer helped to increase the efficiency of the transfer to more than 80%, thereby setting the stage for collision measurements. In a first set of measurements we investigate the interaction properties of molecules in a two-dimensional trapping geometry. We observe a strong and immediate loss of particles, irrespective of magnetic-field value and vibrational state of the molecules. For vibrationally excited molecules, we attribute this loss to state-changing collisions during which internal energy is transformed into kinetic energy. In this case, the decay curves are described by a simple two-body decay model. Such state-changing collisions cannot take place for molecules in the lowest vibrational state and in the energetically lowest hyperfine state. We find that a simple two-body fit fails to describe the full decay curve. We compare our data to a theory that predicts the formation of long-lived, four-body collision complexes. The lifetime of these collision complexes is directly related to the density of energetically accessible fourbody states and predicted to reach tens or hundreds of milliseconds. Actual loss from the trap is in this scenario only caused by a collision of a single molecule and a collision complex. The initial dynamics again resemble a mere two-body decay, caused by the formation of the collision complexes. For longer times, however, a distinct behavior is expected as the long-term decay is governed by molecules reappearing after forming a complex and moleculecomplex collisions. Further, we investigate the stability of a mixed sample of ground-state atoms and groundstate molecules in an array of one-dimensional tubes with a weak additional lattice perpendicular to the tubes. Due to the different mass and polarizability the molecules experience a deeper lattice potential than the atoms. We employ this fact to fix the positions of the molecules in the tubes with the additional lattice, while still allowing for tunneling of the atoms. Molecule-molecule collisions are thus excluded and the dynamics are determined by atom-molecule interactions. In the framework of the theory, also employed for the description of molecule-molecule collisions, the formation of collision complexes formed by an atom and a molecule is expected. However, in this case the lifetime of the complexes is expected to be orders of magnitudes lower than for molecule-molecule complexes. We show that the situation can be treated in the framework of the continuous quantum zeno effect enabling us to extract important quantities, such as the complex formation rate and lifetime of the complexes from measured decay curves. The hyperfine states of rotationally excited molecules experience avoided crossings as a function of magnetic offset field. The positions of these crossings can be used to refine calculations of the ground-state hyperfine structure. We determine the magnetic-field positions of several avoided crossings with a sample of rotationally excited molecules in a three-dimensional optical lattice by monitoring the number of molecules for different hold times in the lattice. Surprisingly, we find a number of additional loss features that depend on the trapping geometry and distribution of the molecules in the lattice. An explanation for these features is still pending and is expected to motivate new experiments

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