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Production of ground-state 23Na40K molecules in the quantum-degenerate regime
Production of ground-state 23Na40K molecules in the quantum-degenerate regime
Die Präparation und Manipulation ultrakalter atomarer Gase hat das Feld der atomaren, molekularen und optischen Physik revolutioniert. Unter der Annahme, dass ultrakalte Moleküle eine ähnliche Rolle spielen werden, wurde eine große Anstrengung unternommen, polare Moleküle mit hoher Phasenraumdichte herzustellen. Aufgrund der vielfältigen internen Struktur der Moleküle sind sie für Anwendungen in der Quantenchemie, Präzisionsspektroskopie und Quantensimulation interessant. Die Rotations- und Vibrationsfreiheitsgrade, die Moleküle so interessant machen, erschweren jedoch ihre effiziente Kühlung. Bislang führen Methoden zur direkten Kühlung von Molekülen zu Phasenraumdichten, die sechs Größenordnungen unterhalb des quantenentarteten Bereichs liegen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird ein anderer Ansatz verwendet, bei dem Moleküle aus ultrakalten Atomen zusammengesetzt werden, in der Hoffnung, dass das Gas seine Entartung während der Zusammensetzung beibehält. Die Assoziation von Feshbach-Molekülen, die mit hohem Verlust und Erwärmung einhergeht, stellt die größte Limitierung bei der Herstellung entarteter Molekülgase dar. In dieser Dissertation berichte ich über die erste Herstellung von $^{23}\mathrm{Na}^{40}\mathrm{K}$-Grundzustands-molekülen im quantenentarteten Regime. Dazu erzeugen wir eine Mischung aus einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) aus $^{23}$Na-Atomen und einem entarteten Fermi-Gas aus $^{40}\mathrm{K}$-Atomen. Mithilfe einer speziesabhängigen Dipolfalle können wir die Dichten der beiden Spezies angleichen, da die Falle das Fermi gas im Vergleich zum BEC stärker komprimieren kann. Dank dieser Vorbereitung können wir die Atome aus dem BEC mit einer Effizienz von 80 \% zu $\mathrm{NaK}^*$-Feshbach-Molekülen verbinden. Wir zeigen, dass die Produktion der Moleküle als Phasenübergang von einem polaronischen Kondensate zu einem molekularen Fermi-Gas verstanden werden kann. Unsere Methode erlaubt uns große und kalte Molekülwolken herzustellen, die hervorragende Ausgangsbedingungen für die Evaporation von Grundzustandsmolekülen bieten., The production and manipulation of ultracold atomic gases have revolutionized the field of atomic, molecular, and optical physics. Based on the premise that ultracold molecules will have a similar impact, with exciting applications in quantum chemistry, precision spectroscopy, and quantum simulation, several major efforts have been undertaken to reach high phase space densities of polar molecules. However, the rich internal structure that makes molecules interesting also prevents their efficient cooling. To date, methods to directly cool molecules produce molecular clouds with phase space densities that are six orders of magnitude below the quantum-degenerate regime. An alternative approach used in this Ph.D. work to producing molecular samples, is by assembling molecules from ultracold atoms with the hope that the molecules inherit the degeneracy of the atoms. However, the association of Feshbach molecules, which is accompanied by loss and heating, represents the major limitation in producing degenerate molecular samples. In this dissertation, I report on the first production of ground-state $^{23}\mathrm{Na}^{40}\mathrm{K}$ molecules in the quantum-degenerate regime. The procedure starts with creation of a mixture of a $^{23}$Na Bose--Einstein condensate (BEC) and a degenerate Fermi gas of $^{40}\mathrm{K}$ atoms. To mitigate the interspecies loss during the association, which is mainly caused by the excess density of the BEC, we use a species-dependent dipole trap that confines the Fermi gas more strongly than the BEC and matches their densities. In this density-matched Bose--Fermi mixture, we can associate 80\% of the atoms in the BEC into $\mathrm{NaK}^*$ Feshbach molecules. We show that the association process can be understood as a quantum phase transition from a polaronic condensate to a Fermi gas of molecules. Ultimately, we can produce large and cold molecular samples that provide excellent starting conditions for the evaporative cooling of ground-state molecules.
Not available
Duda, Marcel
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Duda, Marcel (2022): Production of ground-state 23Na40K molecules in the quantum-degenerate regime. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die Präparation und Manipulation ultrakalter atomarer Gase hat das Feld der atomaren, molekularen und optischen Physik revolutioniert. Unter der Annahme, dass ultrakalte Moleküle eine ähnliche Rolle spielen werden, wurde eine große Anstrengung unternommen, polare Moleküle mit hoher Phasenraumdichte herzustellen. Aufgrund der vielfältigen internen Struktur der Moleküle sind sie für Anwendungen in der Quantenchemie, Präzisionsspektroskopie und Quantensimulation interessant. Die Rotations- und Vibrationsfreiheitsgrade, die Moleküle so interessant machen, erschweren jedoch ihre effiziente Kühlung. Bislang führen Methoden zur direkten Kühlung von Molekülen zu Phasenraumdichten, die sechs Größenordnungen unterhalb des quantenentarteten Bereichs liegen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird ein anderer Ansatz verwendet, bei dem Moleküle aus ultrakalten Atomen zusammengesetzt werden, in der Hoffnung, dass das Gas seine Entartung während der Zusammensetzung beibehält. Die Assoziation von Feshbach-Molekülen, die mit hohem Verlust und Erwärmung einhergeht, stellt die größte Limitierung bei der Herstellung entarteter Molekülgase dar. In dieser Dissertation berichte ich über die erste Herstellung von $^{23}\mathrm{Na}^{40}\mathrm{K}$-Grundzustands-molekülen im quantenentarteten Regime. Dazu erzeugen wir eine Mischung aus einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) aus $^{23}$Na-Atomen und einem entarteten Fermi-Gas aus $^{40}\mathrm{K}$-Atomen. Mithilfe einer speziesabhängigen Dipolfalle können wir die Dichten der beiden Spezies angleichen, da die Falle das Fermi gas im Vergleich zum BEC stärker komprimieren kann. Dank dieser Vorbereitung können wir die Atome aus dem BEC mit einer Effizienz von 80 \% zu $\mathrm{NaK}^*$-Feshbach-Molekülen verbinden. Wir zeigen, dass die Produktion der Moleküle als Phasenübergang von einem polaronischen Kondensate zu einem molekularen Fermi-Gas verstanden werden kann. Unsere Methode erlaubt uns große und kalte Molekülwolken herzustellen, die hervorragende Ausgangsbedingungen für die Evaporation von Grundzustandsmolekülen bieten.

Abstract

The production and manipulation of ultracold atomic gases have revolutionized the field of atomic, molecular, and optical physics. Based on the premise that ultracold molecules will have a similar impact, with exciting applications in quantum chemistry, precision spectroscopy, and quantum simulation, several major efforts have been undertaken to reach high phase space densities of polar molecules. However, the rich internal structure that makes molecules interesting also prevents their efficient cooling. To date, methods to directly cool molecules produce molecular clouds with phase space densities that are six orders of magnitude below the quantum-degenerate regime. An alternative approach used in this Ph.D. work to producing molecular samples, is by assembling molecules from ultracold atoms with the hope that the molecules inherit the degeneracy of the atoms. However, the association of Feshbach molecules, which is accompanied by loss and heating, represents the major limitation in producing degenerate molecular samples. In this dissertation, I report on the first production of ground-state $^{23}\mathrm{Na}^{40}\mathrm{K}$ molecules in the quantum-degenerate regime. The procedure starts with creation of a mixture of a $^{23}$Na Bose--Einstein condensate (BEC) and a degenerate Fermi gas of $^{40}\mathrm{K}$ atoms. To mitigate the interspecies loss during the association, which is mainly caused by the excess density of the BEC, we use a species-dependent dipole trap that confines the Fermi gas more strongly than the BEC and matches their densities. In this density-matched Bose--Fermi mixture, we can associate 80\% of the atoms in the BEC into $\mathrm{NaK}^*$ Feshbach molecules. We show that the association process can be understood as a quantum phase transition from a polaronic condensate to a Fermi gas of molecules. Ultimately, we can produce large and cold molecular samples that provide excellent starting conditions for the evaporative cooling of ground-state molecules.