Dual-species apparatus for creating a dipolar quantum gas of 23Na40K molecules

Published: Nov. 23, 2015, 11 a.m.

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines neuartigen, atomphysikalischen Experiments beschrieben, das zum Ziel hat, stark wechselwirkende Vielteilchensysteme bestehend aus polaren 23Na40K Molek\xfclen zu erzeugen und zu studieren. Die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den Molek\xfclen sollte es m\xf6glich machen, bisher nicht beobachtete Quanten-Vielteilchenzust\xe4nde zu beobachten und prototypische Gittermodelle der Festk\xf6rperphysik zu simulieren, die zur Beschreibung von Quantenmagnetismus und Hochtemperatursupraleitern verwendet werden.\nDas 23Na40K Molek\xfcl ist f\xfcr diesen Zweck besonders gut geeignet, da es in einer zwei-K\xf6rper Kollision chemisch stabil ist, fermionischer Quantenstatistik unterliegt und ein starkes Dipol Moment aufweist.\nDie experimentelle Prozedur zur Erzeugung eines ultrakalten Quantengases aus hetero-nuklearen Molek\xfclen erfordert es, zuerst die elementaren Bestandteile des Molek\xfcls durch Laser- und Verdampfungsk\xfchlen in den Zustand der simultanen Quantenentartung zu \xfcberf\xfchren. Die Wechselwirkung zwischen den bosonischen 23Na und den fermi-ionischen 40K Atomen l\xe4sst sich durch Ausnutzen einer Feshbach Streuresonanz mit einem externen Magnetfeld kontrollieren. In der N\xe4he einer solchen Feshbach Resonanz werden schwach gebundene 23Na40K Molek\xfcle durch Radiofrequenzassoziation erzeugt.\nIn einem weiteren Schritt sollen diese Feshbach Molek\xfcle durch eine stimulierte Raman adiabatische Passage (STIRAP) in den rovibronischen und Hyperfein-Grundzustand des Molek\xfcls \xfcberf\xfchrt werden. Die Differenz der Bindungsenergie wird hierbei nicht spontan frei, was unweigerlich die Aufhebung der Quantenentartung des Molek\xfclgases zur Folge h\xe4tte, sondern wird durch stimulierte Emission kontrolliert abgef\xfchrt.\nDie Kombination beider Methoden, der Feshbach Assoziation und der STIRAP, erlaubt es den Prozess der Molek\xfclbindung auf fundamentaler, quantenmechanischer Ebene zu steuern. \nUm die STIRAP zu implementieren ist es notwendig, ein geeignetes molekulares Zwischenniveau in einem elektronisch angeregten Zustand zu identifizieren, \xfcber welches das Feshbach Molek\xfcl mit dem rovibronischen Grundzustand in einen zwei-Photonen \xdcbergang gekoppelt wird.\nEin solches Zwischenniveau konnte durch hochaufl\xf6sende Molek\xfclspektroskopie 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 m\xf6glich den rovibronischen Grundzustand (ebenfalls Spin-Singulett) zu adressieren. Die zugeh\xf6rige \xdcbergangsfrequenz konnte durch koh\xe4rente Zwei-Photonen Spektroskopie bestimmt werden. Durch elektromagnetisch induzierte Transparenz wurden die Rabifrequenzen beider STIRAP \xdcberg\xe4nge bestimmt und die Koh\xe4renzeigenschaften des Dunkelzustandes untersucht.\nBis zum heutigen Zeitpunkt ist es nicht m\xf6glich den identifizierten Zwischenzustand zu benutzen um 23Na40K Molek\xfcle in den rovibronischen Grundzustand zu \xfcberf\xfchren. Das Phasenrauschen der zum Einsatz kommenden Halbleiter-Laser konnte als limitierender Faktor identifiziert werden. Dar\xfcberhinaus f\xfchrt die spektroskopisch nicht aufl\xf6sbare molekulare Hyperfeinstruktur des $\\vert^3\\Pi_{\\Omega=1}\\nu=5\\rangle$ Zustands zu einer Konfiguration in der kein echter Dunkelzustand existiert, der f\xfcr die STIRAP benutzt werden kann.\nAus diesen Gr\xfcnden erscheint es unwahrscheinlich, dass das gegenw\xe4rtige STIRAP Schema (Halbleiterlaser, $\\vert^3\\Pi_{\\Omega=1}\\nu=5\\rangle$ Zwischenniveau, resonante STIRAP) Grundzustandsmolek\xfcle mit hoher Effizienz erzeugen wird. Dieses Schema kann jedoch durch ein anderes ersetzt werden, das erst k\xfcrzlich erfolgreich f\xfcr den Grundzustands-Transfer von 23Na40K verwendet wurde. Die g\xfcnstigen Eigenschaften des 23Na40K Molek\xfcls in Kombination mit dem hier pr\xe4sentierten Experimentaufbau sollten es daher in Zukunft m\xf6glich machen, dipolare Vielteilchensysteme zu erzeugen und zu studieren.