Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2002
Programm und Abstracts der Sitzung Q 511

Gleichzeitige Seitenbandkühlung aller Schwingungsmoden einer Ionenkette

•Dirk Reiß¹, Giovanna Morigi² und Christof Wunderlich^1
1Institut für Laser-Physik, Universität Hamburg
²Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching

Sollen N elektrodynamisch gespeicherte Ionen für quantenlogische Operationen genutzt werden, so ist die effiziente Kühlung aller Schwingungsmoden notwendig, da die Rabi-Frequenz für interne Qubit-Übergänge vom Bewegungszustand aller Moden abhängt. Anlegen eines inhomogenen Magnetfeldes an die Falle bewirkt die individuelle Verschiebung der internen Qubit-Resonanzen. Durch geeignete Wahl dieses Magnetfeldgradienten können die jeweiligen sogenannten roten Seitenbänder der n-ten Schwingungsmode des n-ten Ions (n = 1 ...N) in Übereinstimmung miteinander gebracht werden, so dass durch Einstrahlen einer einzigen Frequenz (in Kombination mit einem geeigneten Rückpump-Prozess) alle Moden gleichzeitig gekühlt werden. Wir untersuchen beispielhaft eine Kette von N = 10 ¹⁷¹Yb⁺-Ionen in einer linearen Falle, wo die jeweiligen roten Seitenbänder in ein Frequenzintervall von Dn » 5kHz durch Anlegen eines Gradienten um 0.5T/m gebracht werden. Wir berechnen Kühlrate und erreichbare Temperatur der einzelnen Eigenmoden. Dieses Kühlschema kann in konventionellen Ionenfallen eingesetzt werden (Laserkühlung), wie auch in Fallen , die für die Spinresonanz mit Mikrowellenstrahlung modifiziert werden [1].

[1] F. Mintert und Chr. Wunderlich, Phys. Rev. Lett 87, 257904 (2001). Ch. Wunderlich in ``Laser Physics at the Limit", Springer Verlag, Heidelberg-Berlin-New York, 2001, S.261-271.

Thermisch aktivierte Übergänge zweier gespeicherter Ba⁺-Ionen in einem bistabilen Fallenpotential

•K. Abich, D. Reiß, A. Keil, P.E. Toschek, W. Neuhauser und Ch. Wunderlich
Institut für Laser-Physik, Universität Hamburg

Thermisch aktivierte Übergänge zwischen metastabilen Zuständen treten in vielen Gebieten der Physik, Chemie und Biologie auf. Schwache periodische Modulation des bistabilen Potentials synchronisiert bei geeigneter Temperatur die Übergänge über die Potentialbarriere, was als stochastische Resonanz bezeichnet wird. Wir beobachten zeitaufgelöst den Positionswechsel zweier ¹³⁸Ba⁺-Ionen in einem bistabilen Potential in Abhängigkeit der Temperatur. Dabei sind die Ionen anhand ihrer verschiedenen elektronischen Zustände unterscheidbar: Eines der Ionen befindet sich in dem nicht fluoreszierenden metastabilen D_5/2-Zustand. Das die Bewegung der Ionen bestimmende Potential und die Höhe der Barriere DV ist durch die Fallenfrequenzen ((w_x, w_y, w_z)= (1,003, 1,020, 1,053)×2p MHz) und die Coulombabstoßung gegeben. Mittels Laserkühlung wird die thermische Energie der Ionen im Bereich von (0,02-0,5) ×DV mit einer relativen Genauigkeit von 10% eingestellt. Wir beobachteten eine exponentielle Abhängigkeit der Übergangsrate von der Temperatur sowie eine stochastischen Resonanz. Weiterhin sind die Raten zwischen den beiden Minima asymmetrisch, was auf den Lichtdruck zurückzuführen ist.

Effiziente 3D Laserkühlung schneller, gespeicherter Ionenstrahlen in einer 1D optischen Melasse

•U. Eisenbarth¹, S. Hannemann¹, B. Eike¹, M. Grieser¹, R. Grimm², G. Gwinner¹, S. Karpuk³, J. Kleinert¹, G. Saathoff¹, U. Schramm⁴, D. Schwalm¹ und M. Weidemüller^1
1Max-Planck-Institut für Kernphysik, 69029 Heidelberg
²Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Austria
³Institut für Physik, Universität Mainz
⁴Sektion Physik, Universität München

Am Heidelberger Testspeicherring (TSR) werden schnelle ⁹Be⁺-Ionen (v = 0.04×c) durch Laserkühlung zu hohen Phasenraumdichten komprimiert. Die Kühlung muß dabei extremen Heizprozessen entgegenwirken, die hauptsächlich auf strahlinternen Stößen beruhen. Die thermische Energie des gekühlten Ionenstrahls ist von der gleichen Größenordnung wie die wechselseitige Coulombenergie der Ionen, so daß kollektive Effekte bis hin zur Coulomb-Ordnung zu beobachten sind. Wir untersuchen die Kühlung von ``coasting beams'' in einer eindimensionalen optischen Melasse, die durch zwei gegenläufige Laserstrahlen bei 300 nm bzw. 326 nm gebildet wird. Diese Methode bietet erweiterte Diagnosemöglichkeiten und höhere Kühlraten im Vergleich zur Laserkühlung von ``bunched beams''. Verschiedene Kopplungsmechanismen der räumlichen Freiheitsgrade werden ausgenutzt, um dreidimensionale Strahlkühlung zu realisieren. Wir präsentieren Messungen zur Kühldynamik, die zusammen mit Simulationsrechnungen zu einem tieferen Verständnis der Eigenschaften kalter, gespeicherter Ionenstrahlen führen.

Strategien zur Erzeugung ultrakalter Moleküle

•Thomas Hornung¹, Sergei Gordienko¹, Regina de Vivie-Riedle¹, David Tannor² und Boudewijn Verhaar^3
1MPI für Quantenoptik, 85748 Garching, Germany
²Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel
³Eindhoven University of Technology, P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, The Netherlands

Zwei theoretische Ansätze zur Herstellung von kalten Molekülen werden theoretisch studiert. Die Optimal Control Theory (OCT) ist dabei die Methode der Wahl. Die erste Möglichkeit interne Freiheitsgrade von Molekülen zu kühlen, beruht auf den Rechnungen von Tannor et al. Kernpunkt dieses Vorschlags sind geformte Laserfelder, die in Verbindung mit Dissipation aus einem inkohärenten Zustand einen Kohärenten erzeugen. Wir studieren hier speziell die Möglichkeiten der Einwirkung auf die Dissipation durch einen optischen Resonator und deren Einfluss auf die Kühlrate. Die zweite Möglichkeit beruht auf der Umwandlung eines atomaren Kondensats in ein molekulares Kondensat mit Hilfe von Raman Pulsen. Die STIRAP Pulssequenz wurde mit OCT optimiert, nachdem es gelang die Variationsrechnung für die zugrunde liegende Gross-Pitaevskii (GP) Gleichung durchzuführen. Um der Dissipation während des Konversionsprozesses in der optimalen Kontrolle gerecht zu werden, musste die GP Gleichung auf Dichtematrizen verallgemeinert werden.

Sympathetic Cooling with Two Atomic Species in an Optical Trap

•Marcel Mudrich¹, Stephan Kraft¹, Jörg Lange¹, Kilian Singer¹, Rudi Grimm², Allard Mosk¹ und Matthias Weidemüller^1
1Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
²Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck

We simultaneously trap ultracold lithium and cesium atoms in an optical dipole trap formed by the focus of a CO₂ laser and study the exchange of thermal energy between the gases [1,2]. The cesium gas, which is optically cooled to 20 mK, efficiently decreases the temperature of the lithium gas through sympathetic cooling. The measured cross section for thermalizing ¹³³Cs-⁷Li collisions is 8×10^-12 cm², for both species in their lowest hyperfine ground state. Besides thermalization, we observe evaporation of lithium purely through elastic cesium-lithium collisions (sympathetic evaporation).

[1] A. Mosk et al., Appl. Phys. B, in press.

[2] M. Mudrich et al., arXiv:physics/0111213.

Selection of cold molecules from an effusive source

•T. Junglen, T. Rieger, S. Rangwala, PWH. Pinkse und G. Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 85748 Garching

Recent progress in slowing and trapping of neutral molecules opened up a new field in atomic and molecular physics [1,2]. Here we present a new technique for the creation of a continuous source of cold molecules. The idea is to construct an efficient velocity filter based on a electrostatic guide. It is made of four rods with a quadrupolar arrangement and guides molecules that are transversally slow, away from the effusive source. A bend section of the guide allows filtering of the longitudinal velocities. Here we discuss the setup and numerical trajectory calculations and present data on guiding.

[1] H.L. Bethlem, G. Berden, F.M.H. Crompvoets, R.T. Jongma, A.J.A. van Roij, and G. Meijer, Nature 406, 491 (2000)

[2] J.D. Weinstein, R. deCarvalho, T. Guillet, B. Friedrich, and J.M. Doyle, Nature 395, 148 (1998)

Trapping alkali dimers in a CO₂ laser trap

•Marcel Mudrich¹, Stephan Kraft¹, Jörg Lange¹, Daniel Comparat² und Matthias Weidemüller^1
1Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
²Laboratoire Aimé Cotton, Orsay, France

Optical storage of cold molecules is an intriguing extension of trapping neutral atoms in optical dipole traps. Manipulation of the internal and external degrees of freedom with external fields as well as interaction studies are possible on a long time scale. Until now, molecules in the mK regime can only be created in MOTs trough photoassociation [1], and optical trapping of the ultracold molecules has been achieved only once using an optical dipole trap formed by the focus of a CO₂ laser [2].

We present estimates of transition rates between bound and unbound states due to the interaction of ultracold alkali dimers with the trapping light of a CO₂ laser. Vibrational transitions in heteronuclear dimers are studied in the protoype system LiCs. In the homonuclear case, transition strengths from the ground state to the continuum induced by 2^nd order spin-orbit coupling are compared to magnetic dipole and electric quadrupole transitions in Cs₂ and Rb₂. These processes leading to dissociation are opposed to direct photoassociation of cold molecules in the ground state by the trapping light.

[1] A. Fioretti et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4402 (1998)

[2] T. Takekoshi et al., Phys. Rev. Lett. 81, 5105 (1998)

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Zuletzt geändert am 14.11.2002

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