Type-II Zeeman Slower and design and construction of a cryogenic buffer gas beam source

Abstract

Ultrakalte Moleküle versprechen neue Einsichten in diversen Forschungsfeldern die von kontrollierter ultrakalter Chemie über Präzisionsmessungen paritätsverletzender Effekte bis hin zu stark korrelierten dipolaren Quantenvielteilchensystemen reichen. Jedoch verbieten die zusätzlichen Freiheitsgrade der Rotation und Vibration von Molekülen, den direkten Transfer atomarer Kühltechniken. Das direkte Laserkühlen von Molekülen hat dennoch eine rasante Entwicklung in den letzten Jahren erlebt und schloss die Lücke zwischen kryogenen Temperaturen und dem ultrakalten Regime. Der limitierende Faktor in derzeitigen Experimenten ist die niedrige Anzahl an Molekülen die in die initiale magneto-optische Falle geladen werden. Daher gibt es eine hohe Nachfrage an Quellen von kalten und langsamen Molekülen mit hohem Fluss. In der vorliegenden Arbeit wird über eine neue Methode zum Abbremsen laser kühlbarer Moleküle auf einem Typ-II Übergang durch die Spontankraft berichtet, welche vom atomaren Zeeman-Abbremser (Zeeman-Slower) inspiriert ist. Das neue Typ-II Zeeman-Slower Schema beruht auf der Entkopplung der atomaren Drehimpulse im Paschen-Back Regime und der daraus resultierenden vereinfachten Energieniveaustruktur. Das Schema erlaubt die Brem- skraft geschwindigkeitsselektiv anzuwenden und eine breite Verteilung an Geschwindigkeit- sklassen als Funktion des Ortes in einem inhomogenen Magnetfeld anzusprechen. Drei- dimensionale Monte Carlo Simulationen zeigen eine Kompression der eindimensionalen Geschwindigkeitsverteilung und ein kontinuierliches Abbremsen zu Geschwindigkeiten die ein Fangen in molekularen magneto-optischen Fallen erlauben. Die Durchführbarkeit wurde an einem atomaren Testexperiment gezeigt, welches Typ-II Zeeman-Slowing auf der D1-Linie von 39K zeigt und einen Fluss von ΦII = 3.3 · 109 s−1cm−2 unter 35m s−1 erreicht. Die longitudinale Geschwindigkeitsverteilung wird dabei in ein schmales Geschwindigkeitsfenster mit einer longitudinalen Temperatur von Tk = 270mK kompressiert. Damit ist es die erste experimentell realisierte Technik die kontinuierliches und dissipatives Abbremsen in molekülähnlichen Energieniveaustrukturen erlaubt. Die experimentelle Realisierung von Weisslicht abbremsen im gleichen experimentellen Aufbau resultiert in einem Fluss von Φw = 1.5 · 108 s−1cm−2 dies ist einen Faktor 20 kleiner als der erreichte Fluss des Typ-II Zeeman-Slowers. Der traditionelle Typ-I Zeeman-Slower, dessen Implementierung in einer Typ-II Energieniveaustruktur unmöglich ist wurde ebenfalls als Vergleichspunkt realisiert. Ein Fluss von ΦI = 5.5 · 109 s−1cm−2 wurde erreicht, was nur einen Faktor 1.66 höher liegt als in dem Typ-II Schema. Die Unterschiede der verschiedenen Bremsmethoden werden mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen , welche die experimentellen Beobachtungen reproduzieren, identifiziert und als Resultat der unterschiedlichen Effizienz mit der die Spontankraft angewendet wird beschrieben. Als erster Schritt hin zu einer Implementierung des Typ-II Zeeman Slowers mit Molekülen wurde eine laserablations geladene kryogene Puffergaszelle konstruiert und aufgebaut. Das Flussfeld des Puffergases wurde simuliert und die Wirbelbildung und ihre Verhinderung im Flussfeld untersucht. Eine erste Charakterisierung mit atomaren Pulsen aus 39K wurde durchgeführt und eine gute Übereinstimmung mit dem hydrodynamischen “Sudden-Freeze” Modell, erweitert mit einer Geschwindigkeitsverschiebung, wurde gefunden. Eine Erklärung von “multi-peak” Strukturen in den atomaren Pulsen wird vorgeschlagen, die diese als hydrodynamischen Effekt der Expansion des abladierten Materials und dem daraus folgenden Einfluss auf das Gesamtflussfeld der Puffergaszelle beschreibt.