Item

Abstract

Ultracold molecules have great potential for future applications in physics and chemistry. In this thesis, I presented a set of studies that establish aluminium monofluoride (AlF) as a promising candidate for laser cooling and trapping exper- iments of cold molecules.
An experimental apparatus based on a pulsed supersonic expansion source for AlF molecules and interaction zones with continuous or pulsed laser, radio frequency and microwave radiation is used for a first spectroscopic investigation. We resolved the hyperfine structure of the a³Π state using Λ-doublet transitions between hyperfine states, helping us to understand the hyperfine structure in the A¹Π state. The spin-forbidden A¹Π ← a³Π transition is detected for the first time. This transition is a potential loss channel from the A¹Π - X¹Σ⁺ cycling transition. However, the experimentally determined loss channel is negligible and below the 10^-6 level.
The next study focuses on spectroscopic studies of the b³Σ⁺ state. We measure and explain its fine and hyperfine structure and investigate the spin-orbit mixing with the A¹Π state, which explains the coupling between the triplet and singlet states.
Optical cycling can be modelled using rate equations or the optical Bloch equations. These, in combination with trajectory simulations, can explain our experimental observations on optical cycling. Using the optical Bloch equations, we can demonstrate that the hyperfine splitting of the X¹Σ⁺ state of AlF destabilises dark states, which is crucial to maintain optical cycling. The a³Π ←X¹Σ⁺ transition of AlF can, in principle, be used for narrow-line cooling. The lifetime of the a³Π₀, v = 0, J = 1, e level is experimentally determined to be τ1 = 1.89 ± 0.15ms; the resulting scattering rate is probably too low for efficient narrow-line cooling.
To achieve dense samples of ultracold molecules, it is important to understand and optimise the formation processes in the cryogenic source. We compare the formation of AlF, CaF, MgF and YbF from the reaction of ablated metal with a fluorine donor gas in the same buffer gas cell setup. We show that, under the same experimental conditions, a beam of AlF is one order of magnitude brighter than the other molecular beams. The radical atom aluminium reacts to form the stable molecule AlF, while the other studied species are radical molecules formed from stable atoms.
In a last study, we perform high-resolution spectroscopy of the A²Π ←X²Σ⁺ transition of MgF and establish important spectroscopic information — hyperfine and Λ-doubling parameters as well as dipole moments — that will guide future laser-cooling experiments of this molecule.

Ultrakoude moleculen bieden uiteenlopende mogelijkheden voor toekomstige toe- passingen in de natuur- en scheikunde. In dit proefschrift presenteer ik verschil- lende onderzoekingen waaruit blijkt dat het aluminium monofluoride molecuul (AlF) een veelbelovende kandidaat is voor laser-koeling en voor aansluitende ex- perimenten met ingevangen, koude moleculen.
Voor het eerste spectroscopische onderzoek is een molecuulbundel opstelling gebruikt waarin AlF is geproduceerd in een gepulste supersone expansie en is onderzocht met zowel gepulste als continue lasers, en met radiofrequente en mi- crogolf straling. We hebben de hyperfijnstructuur in de a³Π toestand kunnen ontrafelen door nauwkeurig de opsplitsingen tussen de Λ-niveau’s te meten, en dit heeft geholpen om vervolgens de hyperfijnstructuur in de A¹Π toestand te kunnen begrijpen. We hebben voor de eerste keer de A¹Π ← a³Π overgang waargenomen. Deze overgang kan in principe een verlieskanaal vormen voor de A¹Π - X¹Σ⁺ laser-koelings overgang, maar met een gemeten verlies op het 10^-6 niveau is dit kanaal verwaarloosbaar.
Het volgende spectroscopische onderzoek betreft de b³Σ⁺ toestand, waarvoor we ook de fijnstructuur en de hyperfijnstructuur hebben bepaald. We hebben in detail de spin-baan koppeling met de A¹Π toestand gekarakteriseerd, en kunnen daardoor de koppeling tussen de triplet en singlet toestand kwantitatief beschrijven.
Het proces van herhaalde absorptie en emissie van optische straling op een ges- loten overgang (“optical cycling”) kan gemodelleerd worden met een set van reëlle, lineaire differentiaalvergelijkingen of met optische Bloch vergelijkingen. Samen met de simulatie van molekulaire trajectoriën, kunnen met deze vergelijkingen de experimentele waarnemingen van optical cycling goed verklaard worden. Met be- hulp van de optische Bloch vergelijkingen hebben we kunnen laten zien dat de hyperfijnstructuur in de X¹Σ⁺ toestand van AlF de zogenaamde donkere niveau’s destabiliseert, hetgeen essentieel is om het proces van optical cycling aan de gang te houden. De a³Π ←X¹Σ⁺ overgang kan in principe gebruikt worden om de AlF moleculen naar een nog lagere temperatuur te koelen dan op de A¹Π - X¹Σ⁺ over- gang mogelijk is. We hebben de stralings-levensduur van het a³Π₀, v = 0, J = 1, e- niveau experimenteel echter gevonden als τ1 = 1.89 ± 0.15ms, en dit maakt het aantal fotonen dat per seconde verstrooid kan worden op deze overgang waar- schijnlijk te klein voor efficiënte laser-koeling.
Om nog grotere hoeveelheden koude moleculen bij nog hogere dichtheden te verkrijgen, is het belangrijk om het productie-proces van deze moleculen in de cryogene bron beter te begrijpen, teneinde dit verder te kunnen optimaliseren. We hebben de productie van AlF, CaF, MgF and YbF in een reactie van het laser-verdampte metaal met een fluor-houdend gas onderzocht in één en dezelfde cryogene buffer-gas cel. We hebben laten zien dat onder dezelfde experimentele condities, de bundel van AlF moleculen die gevormd wordt een grootte-orde meer intens is dan de bundel van de andere genoemde twee-atomige moleculen. Het reactive Al atoom reageert met het fluor-houdende gas en produceert het stabiele molecuul AlF, terwijl de andere genoemde moleculen zelf reactief zijn en gevormd worden uitgaande van minder reactieve atomen.
Het laatste onderzoek beschreven in dit proefschrift betreft hoge resolutie spectroscopie aan de A²Π ←X²Σ⁺ overgang van MgF. Dit heeft gedetailleerde spectroscopische informatie opgeleverd — parameters die de hyperfijnstructuur en de Λ-opsplitsing beschrijven alsmede electrische dipool momenten — die belangrijk is voor toekomstige laser-koelings experimenten aan dit molecuul.