hide
Free keywords:
-
Abstract:
Laser-cooled atoms have found widespread applications - ranging from precision spectroscopy and metrology to quantum computing - resulting in advanced instruments such as precise atomic clocks. More recently, progress has been made in laser cooling of molecules. Molecules can rotate and vibrate and thereby have a rich internal energy level structure. Apart from a magnetic dipole moment, molecules can also have an electric dipole moment and together, these properties enable many new applications in fundamental physics and quantum science. However, this complexity also makes it challenging to produce them efficiently and subsequently cool them to low temperatures using laser light. As a result, the number and density of trapped molecular gases is three to four orders of magnitude lower than that of laser-cooled atoms, which severely limits applications for molecules.
This thesis presents significant progress in addressing this challenge by using the deeply-bound polar molecule aluminum monofluoride (AlF), which exhibits a laser cooling transition in the deep ultraviolet (UV). Transitions in the deep UV are particularly useful because the optical force exerted by a laser beam on an atom or molecule typically scales with 1/λ4. Compared to transitions in the visible, this significantly increases the capture velocity of magneto-optical traps (MOTs) and reduces the stopping distance of an atomic or molecular beam, allowing a larger number of particles to be trapped.
The main goal of this work is to build and characterize a cryogenic helium buffer gas beam source for AlF molecules and to establish an optical cycle that is suitable for laser cooling. It is shown that a buffer gas beam of AlF molecules can be produced that has an order of magnitude higher density compared to other diatomic molecules and that the main cooling transition (A1Π, v′ = 0 ← X1Σ+, v′′ = 0) near 228 nm is highly efficient. With a single laser, up to 210 photons can be scattered at a scattering rate of 17(2)×106 s-1, before the molecules are lost to v′′ = 1, where they can be recovered with a repump laser. Other potential loss channels from the optical cycle, caused by photoionization or by parity mixing in external electric fields, are measured and means to control them are presented. Furthermore, the electronic decay to the intermediate, metastable a3Π state does not prevent efficient loading of a MOT.
The electronic energy structure and laser wavelengths required for laser cooling of AlF are similar to those of atomic cadmium (Cd). A Cd beam can be produced in the same setup with less effort and is used to qualify the laser setup and optics by performing high-resolution spectroscopy on the 1P1 ← 1S0 and 3P1 ← 1S0 transitions near 229 nm and 326 nm, respectively. The results establish Cd as a promising candidate to search for new physics beyond the Standard Model of Particle Physics through isotope shift measurements. The Cd beam is also used to demonstrate the efficient loading of a prototype deep UV MOT with more than 1.1(3) × 107 Cd atoms at a peak density of 2.2(5) × 1011 cm-3. An accumulation scheme is implemented that allows the number of atoms to exceed previous Cd MOTs by more than an order of magnitude. This achievement highlights the potential of using a similar setup for laser cooling of AlF molecules in future studies.
Abstract:
Laserkoeling van atomen heeft tot weidverbreide toepassingen geleid - van pre- cisiespectroscopie en metrologie tot kwantumcomputing - en heeft geresulteerd in geavanceerde instrumentatie, zoals bijvoorbeeld nauwkeurige atoomklokken. Gedurende de laatste jaren is er ook grote vooruitgang geboekt bij het laserkoelen van moleculen. Moleculen kunnen roteren en vibreren en hebben daardoor een rijke structuur van energieniveaus. Ze kunnen naast een magnetisch dipoolmoment ook een electrisch dipoolmoment hebben en tezamen maken deze eigenschappen vele nieuwe toepassingen in de fundamentele fysica en de kwantumwetenschap mogelijk. De complexe energie-niveau structuur maakt het echter ook uitdagender om grote dichtheden van koude moleculen door middel van laser-koeling te produceren. Als gevolg hiervan is het aantal mole- culen in, en de dichtheid van, koude moleculaire gassen drie tot vier orden van grootte lager dan die van lasergekoelde atomen, en dit beperkt de mogelijke toepassingen.
In dit proefschrift wordt beschreven hoe men deze uitdaging aan kan gaan gebruikmakend van het sterk gebonden, polaire molecuul aluminium- monofluoride (AlF), dat een laserkoelingsovergang heeft in het diepe ultraviolet (UV). Overgangen in het diepe UV zijn bijzonder interessant omdat de opti- sche kracht die door een laserstraal op een atoom of molecuul uitgeoefend kan worden schaalt met 1/λ4 Vergeleken met optische overgangen in het zichtbare spectrum, verhoogt dit de maximale snelheid van de deeltjes die nog in een magneto-optische val (“magneto-optical trap”; MOT) ingevangen kan worden en verkleint het de afstand waarop een atomaire of moleculaire straal tot stil- stand gebracht kan worden, waardoor een groter aantal deeltjes gevangen kan worden.
Het hoofddoel van dit onderzoek is het opzetten en karakteriseren van een cryogene helium buffergasbundelbron voor AlF-moleculen en het demon- streren van een optische cyclus die gebruikt kan worden voor laserkoeling. Aangetoond wordt dat een buffergasbundel van AlF-moleculen kan worden geproduceerd met een orde van grootte hogere dichtheid dan voor andere di atomaire moleculen mogelijk is en dat de belangrijkste laserkoelingsovergang (A1Π, v′ = 0 ← X1Σ+, v′′ = 0) rond 228 nm zeer effici ̈ent is. Met ́e ́en enkele laser kunnen zo’n 210 fotonen worden verstrooid met een verstrooingsfrequentie van 17(2) × 106 s-1, voordat de moleculen verloren gaan naar v′′ = 1, van waar ze kunnen worden teruggewonnen met een terugpompingslaser. Andere potenti ̈ele verlieskanalen uit de optische cyclus, veroorzaakt door fotoionisatie of door pariteitsmenging in externe elektrische velden, zijn gekarakteriseerd en er is aangegeven hoe deze onder controle kunnen worden gehouden. Ook is ge- meten dat het elektronische verval naar de tussenliggende, metastabiele a3Π toestand het effici ̈ent laden van een MOT niet verhindert.
De elektronische energiestructuur en laser golflengten die nodig zijn voor laserkoeling van AlF zijn zeer vergelijkbaar met die van atomair cadmium (Cd). Een Cd-bundel kan relatief eenvoudig in dezelfde opstelling worden geprodu- ceerd en is gebruikt om de laseropstelling en de optische componenten te testen en te optimeren door hoge resolutie spectroscopische experimenten uit te voe- ren aan de 1P1← 1S0 en 3P1← 1S0 overgangen bij, respectievelijk, 229nm en 326 nm. De resultaten laten zien dat Cd een veelbelovende kandidaat is om door middel van het meten van isotoopverschuivingen te zoeken naar nieuwe fysica, d.w.z. naar fysica die niet beschreven wordt in het Standaard Model van de deeltjesfysica. De Cd-bundel is ook gebruikt om het effici ̈ent laden van een prototype diepe UV MOT met meer dan 1,1(3) × 107 Cd-atomen bij een maximale dichtheid van 2,2(5)×1011cm-3 aan te tonen. Er is een accumulatieschema ge ̈ımplementeerd waarmee het mogelijk is het aantal atomen meer dan een orde van grootte te vergroten t.o.v. eerdere magneto-optische vallen voor Cd. Deze bevindingen aan Cd tonen het potentieel aan van het toekomstige gebruik van dezelfde opstelling voor laserkoeling en opslag van AlF-moleculen.
