BaRbIE-Projekt

Ein einzelnes Ion in einer Wolke ultrakalter Atome

Apparatur zur Erforschung eines Atom-Ion Systems

Innerhalb des BaRbIE-Projektes führen wir in einer Apparatur Experimente mit einzelnen gefangenen Ba+- oder Rb+-Ionen und einem Ensemble ultrakalter Rb-Atome durch. Ziel ist es, fundamentale Wechselwirkungen zwischen den Ionen und den Atomen zu untersuchen. Der Aufbau ermöglicht es, eine Vielzahl von spannenden Phänomenen auf Quantenniveau zu erforschen.

 

 

Überblick über die Vakuumapparatur. Zunächst werden die 87Rb-Atome lasergekühlt und in einer magnetooptischen Falle (MOT) gefangen. Von der MOT-Kammer MOT werden die Atome anschließend magnetisch in die BEC-Kammer transportiert. Dort führen wir evaporatives Kühlen durch und produzieren eine ultrakalte Atomwolke oder ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Danach wird die Atomwolke in die eigentliche Experimentkammer transferiert mittels einer optischen Stehwelle. In der Experimentkammer werden die Atome in einer gekreuzten optischen Dipolfalle eingeschlossen. Zusätzlich befindet sich in dieser Kammer eine Ionenfalle (lineare Paul-Falle), die entweder mit einzelnen Ba+- oder Rb+-Ionen geladen werden kann. Nun ist es möglich, die Fallenpotenziale für die Atomwolke und das Ion zu überlagern, sodass Kollisionen zwischen den unterschiedlichen Teilchen stattfinden können.

Kombination aus Atom- und Ionenfalle. Dargestellt sind die Elektroden der Paul-Falle und die Laserstrahlen der gekreuzten optischen Dipolfalle. Durch Überlagerung der Fallenzentren taucht das Ion in die Atomwolke ein (siehe vergrößerter Bildauschnitt).

Aktuelle und geplante Forschungsprojekte

  • "State-to-state chemistry": Wir untersuchen reaktive (und inelastische) Prozesse, wobei der Quantenzustand sowohl der Reaktanten als auch der Produkte vollständig aufgelöst wird.
  • s-Wellen Kollisionen: Da das Ion in der Paul-Falle einer getriebenen Bewegung unterliegt, ist seine Temperatur auf einen Mindestwert limitiert (ungefähr 1 mK in unserem momentanen Aufbau). Aus diesem Grund planen wir, in Zukunft eine optische Dipolfalle für das Ion zu implementieren. Damit sollte es möglich sein, zu tieferen Temperaturen zu gelangen und s-Wellen-Kollisionen zwischen Atomen und Ionen zu untersuchen.
  • Ion-Rydberg Atom Wechselwirkung: Rydberg Atome besitzen verglichen mit Grundzustandsatomen charakteristische Eigenschaften wie etwa eine überaus große Polarisierbarkeit. Daher stellen Rydberg Atome sehr interessante Objekte hinsichtlich der Kollision mit Ionen dar. Unser Vorhaben ist es, die generelle Kontrolle von Atom-Ionen Kollisionen durch Verwendung von Rydberg-Zuständen zu zeigen. Weiterhin werden wir versuchen, neuartige Atom-Ion Bindungszustände zu entdecken.
  • Kollisionen unter Einfluss von Licht: Das Vorhandensein eines Lichtfeldes kann reaktive und inelastische Prozesse beieinflussen oder sogar induzieren. Hier ist eines unserer Ziele, Laserlicht zu benutzen, um zweiatomige bzw. dreiatome Moleküle oder Molekülionen gezielt mittels Photoassoziation zu erzeugen.
  • Thermometrie: Prinzipiell kann ein System zur setenband-aufgelösten Detektion von Ionen in einer Falle auch dafür benutzt werden, die Temperatur dieser Ionen zu bestimmen. Wir werden dies nutzen, um Atom-Ion Kollisionen unter thermometrischen Gesichtspunkten zu erforschen.
  • "Swap cooling": Wir werden versuchen, ein kaltes Ion durch Ladungsaustausch zu erzeugen. Dafür werden wir zunächst ein Ion in der Paul-Falle präparieren und dann mit Atomen kollidieren lassen. Wenn dabei die Ladung des Ions auf ein zunächst neutrales ultrakaltes Atom übergeht, haben wir ein neues entsprechend kaltes Ion hergestellt.
  • Physik mit Polaronen: Ein einzelnes Ion in einem BEC kann ein Polaron darstellen. Wir werden versuchen, dieses Phänomen nachzuweisen.
  • Quanteninformationsverarbeitung: Wir planen, in Zukunft unser Atom-Ion System als Plattform für Quanteninformationsverarbeitung zu nutzen (beispielsweise skalierbare Quantenspeicher und Verschränkungsgatter).

 

 

Research highlights

State-to-state chemistry for three-body recombination

J. Wolf et al. Science 358, 921 (2017) and A. Härter et al. Nature Physics 9, 512 (2013)

We have developed a novel method to probe diatomic molecular product states after reaction. For this we make use of the hybrid atom ion setup. Once formed, the molecules are ionized via resonance-enhanced multi-photon ionization (REMPI) and subsequently captured in the ion trap where the molecular ions are detected with almost 100% efficiency. We have investigated three-body recombination of three neutral Rb atoms and measured the population distribution in absolute terms with a resolution down to the hyperine levels. From our experimental data it has been possible to extract propensity rules for the reaction process.

Figure: Measured rate constants due to three-body recombination into various molecular product channels as specified by the vibrational (v) and rotational (R) quantum numbers and the respective binding energy Eb. R is indicated next to the data points.

Reactive two-body and three-body collisons of Ba+ with Rb

A. Krükow et al. Phys. Rev. A 94, 030701(R) (2016) and A. Krükow et al. Phys. Rev. Lett. 116, 193201 (2016)

By mapping out the Ba+ loss rate dependence on the Rb atom density we have measured the rate coefficients for both two-body and three-body reactive collisons. Furthermore, we have determined the energy scaling of the three-body rate coefficient.

Figure: Density dependence of Ba+ loss in a Rb cloud: The plot shows the probability to detect the Ba+-ion after the interaction time t with a Rb cloud for ten different initial atom peak densities.

A single ion as a three-body reaction center

A. Härter et al. Phys. Rev. Lett. 100, 123201 (2012)

We have investigated the recombination process of a single Rb+-ion with two neutral Rb atoms and determined the three-body rate coefficient which is by a factor of 1000 larger than the rate coefficient for the recombination of three neutral Rb atoms.

Figure: Illustration of atom-atom-ion collision: (I) Two atoms simultaneously enter the interaction radius of the ion and a three-body process takes place. (II) The three-body reaction ejects the ion onto a trajectory much larger than the atom cloud.

Dynamics of a cold trapped ion in a BEC

S. Schmid et al. Phys. Rev. Lett. 105, 133202 (2010)

After setting up the hybrid atom-ion apparatus we performed first measurements with a Ba+-ion (respectively Rb+-ion) immersed in a Rb BEC. We have observed elastic as well as inelastic processes and we have demonstarted that a single ion can be used to probe the density profile of an ultracold atom cloud.

Figure: Ion as a probe for atom cloud density. Shown is the number of Rb atoms remaining in the trap depending on the position of the Rb+-ion relative to the center of the atom cloud. The measurements are performed with a thermal cloud (a), a partially condensed cloud (b) and an almost pure BEC (c).

Förderung

Unsere Forschung wird gefördert durch

  • Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG (beispielsweise Priority Program GiRyd)
  • Center for Integrated Quantum Science and Technology IQST

 

 

Das Team

Vordere Reihe, von links nach rechts: Joschka Wolf, Amir Mahdian, Amir Mohammadi

Hintere Reihe, von links nach rechts: Markus Deiß, Artjom Krükow, Johannes Hecker Denschlag