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Buchheim, Nikolaus Walter (2015): Dual-species apparatus for creating a dipolar quantum gas of 23Na40K molecules. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines neuartigen, atomphysikalischen Experiments beschrieben, das zum Ziel hat, stark wechselwirkende Vielteilchensysteme bestehend aus polaren 23Na40K Molekülen zu erzeugen und zu studieren. Die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den Molekülen sollte es möglich machen, bisher nicht beobachtete Quanten-Vielteilchenzustände zu beobachten und prototypische Gittermodelle der Festkörperphysik zu simulieren, die zur Beschreibung von Quantenmagnetismus und Hochtemperatursupraleitern verwendet werden. Das 23Na40K Molekül ist für diesen Zweck besonders gut geeignet, da es in einer zwei-Körper Kollision chemisch stabil ist, fermionischer Quantenstatistik unterliegt und ein starkes Dipol Moment aufweist. Die experimentelle Prozedur zur Erzeugung eines ultrakalten Quantengases aus hetero-nuklearen Molekülen erfordert es, zuerst die elementaren Bestandteile des Moleküls durch Laser- und Verdampfungskühlen in den Zustand der simultanen Quantenentartung zu überführen. Die Wechselwirkung zwischen den bosonischen 23Na und den fermi-ionischen 40K Atomen lässt sich durch Ausnutzen einer Feshbach Streuresonanz mit einem externen Magnetfeld kontrollieren. In der Nähe einer solchen Feshbach Resonanz werden schwach gebundene 23Na40K Moleküle durch Radiofrequenzassoziation erzeugt. In einem weiteren Schritt sollen diese Feshbach Moleküle durch eine stimulierte Raman adiabatische Passage (STIRAP) in den rovibronischen und Hyperfein-Grundzustand des Moleküls überführt werden. Die Differenz der Bindungsenergie wird hierbei nicht spontan frei, was unweigerlich die Aufhebung der Quantenentartung des Molekülgases zur Folge hätte, sondern wird durch stimulierte Emission kontrolliert abgeführt. Die Kombination beider Methoden, der Feshbach Assoziation und der STIRAP, erlaubt es den Prozess der Molekülbindung auf fundamentaler, quantenmechanischer Ebene zu steuern. Um die STIRAP zu implementieren ist es notwendig, ein geeignetes molekulares Zwischenniveau in einem elektronisch angeregten Zustand zu identifizieren, über welches das Feshbach Molekül mit dem rovibronischen Grundzustand in einen zwei-Photonen Übergang gekoppelt wird. Ein solches Zwischenniveau konnte durch hochauflösende Molekülspektroskopie im elektronisch angeregten 3\Pi Zustand identifiziert werden. Dieser Vibrationszustand ($\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$) ist durch molekulare Spin-Orbit Wechselwirkung an einen nah-resonanten Vibrationszustand im $D^1\Pi$ Zustand gekoppelt. Erst durch die Beimischung dieses Spin-Singulett Zustands ist es möglich den rovibronischen Grundzustand (ebenfalls Spin-Singulett) zu adressieren. Die zugehörige Übergangsfrequenz konnte durch kohärente Zwei-Photonen Spektroskopie bestimmt werden. Durch elektromagnetisch induzierte Transparenz wurden die Rabifrequenzen beider STIRAP Übergänge bestimmt und die Kohärenzeigenschaften des Dunkelzustandes untersucht. Bis zum heutigen Zeitpunkt ist es nicht möglich den identifizierten Zwischenzustand zu benutzen um 23Na40K Moleküle in den rovibronischen Grundzustand zu überführen. Das Phasenrauschen der zum Einsatz kommenden Halbleiter-Laser konnte als limitierender Faktor identifiziert werden. Darüberhinaus führt die spektroskopisch nicht auflösbare molekulare Hyperfeinstruktur des $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ Zustands zu einer Konfiguration in der kein echter Dunkelzustand existiert, der für die STIRAP benutzt werden kann. Aus diesen Gründen erscheint es unwahrscheinlich, dass das gegenwärtige STIRAP Schema (Halbleiterlaser, $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ Zwischenniveau, resonante STIRAP) Grundzustandsmoleküle mit hoher Effizienz erzeugen wird. Dieses Schema kann jedoch durch ein anderes ersetzt werden, das erst kürzlich erfolgreich für den Grundzustands-Transfer von 23Na40K verwendet wurde. Die günstigen Eigenschaften des 23Na40K Moleküls in Kombination mit dem hier präsentierten Experimentaufbau sollten es daher in Zukunft möglich machen, dipolare Vielteilchensysteme zu erzeugen und zu studieren.

Abstract

This thesis report describes the construction of a novel atomic physics experiment, that should enable the study of quantum many-body system consisting of polar 23Na40K molecules. The anisotropy and the long-range character of the dipole-dipole interaction between these molecules should make it possible to observe novel quantum many-body states and to simulate prototypical lattice models of solid state physics that are used to describe quantum magnetism and the microscopic origin of high temperature superconductivity. For this purpose the 23Na40K molecule is particularly well suited, since it is chemically stable in two-body collisions, features a fairly large dipole moment and obeys fermionic quantum statistics. In order to create an ultracold quantum gas of heteronuclear molecules it is necessary to first prepare the constituent atoms in a state of simultaneous quantum degeneracy by consecutive laser and evaporative cooling. The effective low temperature interaction in this mixture of bosonic 23Na and fermionic 40K atoms can be controlled with an external magnetic field by exploiting a Feshbach scattering resonance. In the vicinity of a Feshbach resonance weakly bound 23Na40K molecules are created by radio frequency association. In a next step these Feshbach molecules should be transferred to the rovibronic and hyperfine groundstate of the molecule via stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP). In this process the difference in binding energy is not released spontaneously but is removed in a controlled manner by stimulated emission. Both techniques combined - Feshbach association and STIRAP - constitute a way to fundamentally control chemical bond formation on the quantum level. In order to implement STIRAP it is necessary to identify a suitable molecular intermediate level belonging to an electronically excited molecular state that facilitates a two-photon coupling between the Feshbach molecule and the rovibronic groundstate. To this end we have performed high resolution molecular spectroscopy and have identified a suitable intermediate level in the electronic $d^3\Pi$ state. This vibrational level ($\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$) is coupled to a near-resonant vibrational level in the $D^1\Pi$ state. It is only the admixture of this spin-singlet level that allows to address the equally spin-singlet rovibronic groundstate. By using a narrow linewidth Raman laser system we have measured the binding energy of the rovibronic groundstate in coherent dark state spectroscopy. In addition, the observation of electromagnetically induced transparency (EIT) enabled us to determine the Rabi frequencies of both STIRAP transitions and to characterize the coherence properties of the dark state. Up to date it has not been possible to populate the rovibronic groundstate by using the identified intermediate state. The phase noise performance of the semiconductor lasers that are employed in the Raman laser setup has been identified as the limiting parameter. Moreover, the spectroscopically not resolved molecular hyperfine structure of the $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ level results in a near degenerate multi-level STIRAP configuration that does not feature a true dark state which can be used for adiabatic transfer. For these reasons it appears improbable that the current STIRAP scheme (semiconductor lasers, $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ intermediate level, resonant STIRAP) will result in groundstate transfer with high efficiency. However, the current STIRAP scheme could easily be changed to an alternative one that very recently has been proven to work for groundstate transfer of 23Na40K. The unique properties of the 23Na40K molecule in combination with the experimental setup design that is presented in this report should make it possible to realize and study dipolar many-body systems in near-future experiments.