Alumni-Preis 2015

Betreuer: Prof. Tobias Schätz

Kurzzusammenfassung der Arbeit:

In der experimentellen Quantenphysik ist es seit Anfang der 1980er Jahre möglich, einzelne Atome oder Moleküle kontrolliert bei Temperaturen unterhalb eines Kelvin zu präparieren und zu beobachten [1]. In den darauffolgenden Jahrzehnten wurde eine Vielzahl an experimentellen Techniken entwickelt, die es heutzutage ermöglichen, verschiedene Atome und Moleküle in immer besser kontrollierte Zustände zu bringen. Viele Anwendungen in der Chemie, Biologie und der Physik berufen sich auf Instrumente wie etwa die Paulfalle und die optische Dipolfalle (auch optische Pinzette gennant). Bis vor wenigen Jahren wurde die optische Falle immer zum Fangen neutraler Atome oder Moleküle und die Paulfalle zur Untersuchung geladener Teilchen genutzt. Zum ersten Mal gelang es Schneider et al. im Jahr 2010, ein einzelnes geladenes Magnesiumatom in einer nahverstimmten optischen Falle zu fangen [2], womit die beiden Techniken vereint wurden.

Während meiner Diplomarbeit haben wir nun zum ersten Mal ein einzelnes Bariumions in einer fernverstimmten optischen Dipolfalle gefangen. Wir präparieren das Ion zunächst in einer linearen Paulfalle im Ultrahochvakuum, indem wir es per Laserkühlung auf einige Millikelvin heruntergekühlen. Wir vermessen die Schwingungsmoden des Ions, um auf die statischen elektrischen Felder im Zentrum der Falle zu schließen und diese einzustellen. Das Experiment wird in einer Sequenz von mehreren Schritten durchgeführt und dauert wenige Millisekunden. Zunächst wird ein Hochleistungslaser eingeschaltet, der innerhalb der Vakuumkammer mit einer Größe von 4 μm auf das Ion fokussiert ist. Gleichzeitig wird das elektrische Wechselfeld der Paulfalle ausgeschaltet. Nach einer Dauer von 100 μs bis 4 ms, während der das Ion nur von optischen Kräften gehalten wird, schalten wir die Paulfalle ein und den Laser aus, womit das Ion wieder in die Paulfalle geladen und dort per Fluoreszenzmessung detektiert werden kann.

Aufgrund der starken Kopplung des Ions an elektrische Streufelder über die Coulomb-Wechselwirkung müssen diese Felder sehr genau kompensiert und eingestellt werden. Streufelder verschieben das Ion aus seiner Gleichgewichtslage im Potential der optischen Dipolfalle und können das Fangen in dieser Falle verhindern. In dieser Arbeit wurden Techniken entwickelt, um elektrische Streufelder auf unterhalb 100 mV/m zu reduzieren, womit optisches Fangen möglich wird.

Die Einfangwahrscheinlichkeit in der optischen Dipolfalle ist zunächst durch die Anfangstemperatur des Ions und die Fallentiefe gegeben. Für kurze Fangdauern von 100 μs wurden Einfangwarscheinlichkeiten von bis zu (98±2)% nachgewiesen. Aufgrund der verstimmten Anregung des Ions und dem anschließenden Zerfall in einen metastabilen Zustand, in dem der Fanglaser ein repulsives Potential bildet, sinkt die Einfangwahrscheinlichkeit bei längeren Fangdauern. Wir stellen mehrere Methoden vor, um diese Verlustprozesse zu unterdrücken.

Die Motivation für das Experiment bildet das gemeinsame Fangen ultrakalter Atome und Ionen in einer optischen Falle um deren Wechselwirkung zu beobachten [3]. Das Fangen des Ion in einer optischen Falle ist dafür eine wesentliche Vorraussetzung. In bisherigen Experimenten wird eine Hybridfalle aus optischer Falle für die Atome und einer Paulfalle für das Ion verwendet wird. Da die getriebene Bewegung des Ions in der Paulfalle zu einer Aufheizung führt [4], sind die Kollisionsenergien bisher etwa vier Größenordnungen oberhalb des Regimes, in dem Kollisionen allein durch s-Wellen-Streung beschrieben werden können. Diese Regime wird auch als ultrakalte Chemie bezeichnet.
 

[1] D.J. Wineland and W.M. Itano, Phys. Lett. 82A, 75-78 (1981)
[2] C. Schneider et al., Nature Photonics 4, 772–775(2010)
[3] A. Grier et al., Phys. Rev. Lett. 102, 223201 (2009) [4] M. Cetina et al., Phys. Rev. Lett. 109. 253201 (2012)