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).

 

Forschungs-Highlights

"State-to-state chemistry" eines Dreikörper-Rekombinations-Prozesses

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

Wir haben eine neuartige Methode entwickelt, um die Verteilung von Molekülen auf Produktzustände nach einer Reaktion qualitativ und quantitativ zu vermessen. Dazu nutzen wir unser Atom-Ion Experimentaufbau. Direkt nach ihrer Bildung werden die Moleküle mittels REMPI (resonance-enhanced multi-photon ionization) ionisiert und anschließend in der Ionenfalle gefangen. Dort können wir die molekularen Ionen mit annähernd 100% Effizienz nachweisen. Wir haben mit dieser Methode die Dreikörper-Rekombination von neutralen Rb-Atomen untersucht. Es ist uns gelungen, die absolute Populationsverteilung der Moleküle auf die Produktzustände zu messen - mit einer Auflösung bis zu den Hyperfeinniveaus. Diese daten haben es möglich gemacht, generelle Gesetzmäßigkeiten für diesen reaktiven Prozess zu formulieren.

Abbildung: Gemessene Ratenkonstanten für die Produktion von Molekülen in verschiedenen Zuständen durch Dreikörper-Rekombination. Die molekularen Zustände sind durch die Vibrations- und Rotationsquantenzahlen v bzw. R und durch die jeweilige Bindungsenergie Eb spezifiziert. Die Werte von R sind direkt bei den Datenpunkten angegeben.

Reaktive Zweikörper- und Dreikörper-Kollisionen von Ba+ mit Rb

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

Wir haben experimentell die Ratenkoeffizienten für reaktive Zweikörper- und Dreikörper-Kollisionen ermittelt. Dazu haben wir die Abhängigkeit der Ba+-Verlustrate von der Rb-Atomdichte untersucht. Darüber hinaus haben wir die Energieabhängigkeit des Dreikörper-Ratenkoeffizienten bestimmt.

Abbildung: Dichteabhängigkeit des Ba+-Verlustes in einer Rb-Wolke. Dargestellt ist die Wahrscheinlichkeit, ein Ba+-Ion nach einer Wechselwirkungszeit t mit einer Rb-Wolke zu detektieren. Die zehn verschiedenen Kurven entsprechen unterschiedlichen anfänglichen Atomdichten.

Ein einzelnes Ion als Katalysator für die Bildung von neutralen Molekülen mittels Dreikörper-Rekombination

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

Wir haben den Rekombinationsprozess eines einzelnen Rb+-Ions mit zwei neutralen Rb-Atomen untersucht. Interessanterweise haben wir beobachtet, dass der Ratenkoeffizient um einen Faktor 1000 größer ist, verglichen mit dem Ratenkoeffizienten für die Rekombination dreier neutraler Rb-Atome.

Abbildung: Schematische Darstellung der Atom-Atom-Ion-Kollision: (I) Zwei Atome unterschreiten zur selben Zeit den charakteristischen Wechselwirkungsabstand zum Ion und Dreikörper-Rekombination kann stattfinden. (II) Durch die freiwerdende Energie bei der Dreikörper-Reaktion wird das Ion auf eine Bahn außerhalb der Atomwolke gezwungen.

Dynamik eines kalten, gefangenen Ions in einem BEC

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

Nach dem Aufbau der Atom-Ion-Apparatur haben wir erste Messungen der Wechselwirkung eines Ba+-Ions (bzw. Rb+-Ions) mit einem Rb-BEC durchgeführt. Wir haben elastische als auch inelastische Prozesse untersucht. Ferner konnten wir zeigen, dass ein einzelnes Ion als eine Sonde genutzt werden kann, um das Dichteprofil einer ultrakalten Atomwolke zu vermessen.

Abbildung: Vermessung der Dichte einer Atomwolke mittels eines Ions. Dargestellt ist die verbleibende Anzahl von Rb-Atomen in der Falle in Abhängigkeit von der Position des Rb+-Ions relativ zum Zentrum der Atomwolke. Die Messungen wurden für eine thermische Wolke (a), eine teilweise kondensierte Wolke (b) und ein annähernd reines BEC (c) durchgeführt.

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