Dokument: Sympathetische Kühlung von Molekülionen durch lasergekühlte Bariumionen in einer linearen Paulfalle

Titel:	Sympathetische Kühlung von Molekülionen durch lasergekühlte Bariumionen in einer linearen Paulfalle
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3404
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20060528-001404-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ostendorf, Alexander [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,38 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Schiller, Stephan [Gutachter] Prof. Dr. Görlitz, Axel [Gutachter] Prof. Dr. Weidemüller, M. [Gutachter]
Stichwörter:	Atom- und Molekülphysik, Quantenoptik, Laserphysik, sympathetische Kühlung, ultrakalte Moleküle, Coulomb Kristalle, Ionenfalle, Lineare Paulfalle (rf-Falle), Radiofrequenzfalleatomic and molecular physics, quantum optics, laser physics, laser cooling, sympathetic cooling, ultracold molecules, Coulomb crystals, ion trap, linear Paul trap (rf-trap), radiofrequency trap
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibung:	Bei der sympathetischen Kühlung in RF-Fallen handelt es sich um eine universell einsetzbare Methode zur Kühlung atomarer und molekularer Ionen. Der experimentelle Ansatz zur Reduzierung der kinetischen Energie beruht dabei auf der Coulomb-Wechselwirkung dieser Teilchen mit direkt lasergekühlten atomaren Ionen, die gleichzeitig in der Falle eingeschlossen werden. Unter den Einflüssen einer ausreichend starken Laserkühlung und den elektrostatischen Wechselwirkungen in der Falle kommt es zu einer regelmäßigen Anordnung der geladenen Teilchen in so genannten Coulomb-Kristallen. Ultrakalte Molekülionen, eingeschlossen in solche Coulomb-Kristalle, bieten vielseitige Perspektiven in den Bereichen der Molekülphysik, in der Quantenoptik, bei der Untersuchung fundamentaler physikalischer Fragestellungen, aber auch in den Bereichen der Chemie und Biologie. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Experiment realisiert worden, dass die Anwendung dieser Methode auf Moleküle aus einem breiten Massenbereich erlaubt. Die Kombination eines linearen Fallenaufbaus mit einer Elektro-Spray-Ionisationsquelle eröffnet dabei die Perspektive, auch komplexe und hochgeladene Molekülionen mit einer Massenzahl von bis zu 20.000 amu isoliert, lokalisiert und nahezu in Ruhe eingehend studieren zu können. Die Darstellungen in dieser Arbeit konzentrieren sich vor allem auf den Massenbereich zwischen 32 amu (16O2+) und ca. 500 amu (z.B. Rhodamin, MRFA, AlexaFluor350), wobei lasergekühlte 138Ba+-Ionen als Kühlionen eingesetzt werden. Diese erlauben aufgrund ihrer relativ großen Masse sowohl den gleichzeitigen Einschluss mit den komplexen Molekülen in der Falle als auch eine effiziente Kühlung der unterschiedlichen Ionenmassen. Mittels Simulationen ist dies für Ionen der Massen 44 amu und 481 amu bestätigt worden. In der vorliegenden Arbeit wird der realisierte experimentelle Aufbau, bestehend aus der linearen Paulfalle, der Ionenquelle, dem RF-Oktopol zum Transport der Ionen von der Quelle zur Falle und dem differentiell gepumpten Vakuumsystem ausführlich beschrieben. Insbesondere wird auch auf die Realisierung eines leistungs- und frequenzstabilen Lasersystems (bei 493 und 650 nm) zur Laserkühlung der 138Ba+-Ionen eingegangen. Bei der Darstellung der experimentellen Ergebnisse wird zunächst die Präparation von (reinen) Barium-Coulomb-Kristallen sowie deren Abbildung durch Detektion der Bariumfluoreszenz vorgestellt. Coulomb-Kristalle unterschiedlicher Größe und Struktur bis hin zu linearen Ketten einzelner Ionen sind beobachtet worden. Für kleine Ba+-Kristalle werden dabei Temperaturen von <10 mK erreicht. Diese Coulomb-Kristalle sind für die sympathetische Kühlung leichter Ionensorten verwendet worden. Bei den sympathetisch gekühlten Ionensorten handelt es sich um 16O2+, 40Ar+, bzw. 12C 16O2+, die mittels Elektronenstoß-Ionisation aus dem Restgas erzeugt worden sind. Aufgrund des steileren Pseudopotentials der leichteren Ionen kommt es für diese zu einem Einbau innerhalb der Barium-Coulomb-Kristalle, was sich durch eine reduzierte Bariumfluoreszenz im Zentrum eines Coulomb-Kristalls bemerkbar macht. Die Temperatur der eingebauten Ionen kann mit <50 mK abgeschätzt werden. Es ist weiterhin die sympathetische Kühlung nicht-lasergekühlter Bariumisotope beobachtet worden. Aufgrund des Lichtdrucks tritt dabei eine räumliche Trennung der 138Ba+-Ionen von den übrigen Bariumisotopen auf. Ein weiterer Aspekt der experimentellen Arbeit besteht in dem massenselektiven Nachweis der gefangenen Ionen. Hierfür werden u.a. die gezielte Anregung der massenspezifischen Säkularbewegung sowie die Möglichkeit einer gezielten Ionenextraktion ausgenutzt. Hinsichtlich der sympathetischen Kühlung komplexer Molekülionen ist es gelungen, den Transfer unterschiedlicher Ionensorten von der Ionenquelle zur Paulfalle und den gemeinsamen Einschluss mit Bariumionen zu demonstrieren. Die sympathetische Kühlung der schweren Molekülionen macht sich in veränderten Extraktionsspektren sowie in leicht modifizierten Coulomb-Kristallstrukturen bemerkbar. Vergleiche der experimentell beobachteten Kristallstrukturen bzw. Größe der Ionenwolken mit Simulationsergebnissen erlauben die Angabe einer oberen Grenze für die kinetische Energie der Teilchen. Für Barium-Ionenwolken mit gleichzeitig eingeschlossenen komplexen Molekülen kann ein oberer Wert zwischen 10 K und 15 K angegeben werden. Bei weiterer Optimierung der Apparatur erwartet man auch für komplexe Moleküle Temperaturen im Bereich von 100 mK.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	28.05.2006
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	03.02.2006
Datum der Promotion:	03.02.2006