Dokument: Production, Manipulation and Spectroscopy of Cold Trapped Molecular Ions

Titel:Production, Manipulation and Spectroscopy of Cold Trapped Molecular Ions
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20071219-111251-6
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Englisch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Habilitation
Medientyp:Text
Autor:Dr. Roth, Bernhard [Autor]
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Dateien vom 26.09.2012 / geändert 26.09.2012
Stichwörter:cold molecules, precision spectroscopy, fundamental constants, laser cooling, ion traps
Dewey Dezimal-Klassifikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:Das Gebiet der kalten Moleküle ist ein neues Gebiet der
Quantenoptik, welches in den letzten Jahren immer mehr in den
Mittelpunkt eines breiten interdisziplinären Interesses gerückt
ist. Nach den aufsehenerregenden Erfolgen, welche bei den
ukltrakalten, neutralen und geladenen Atome erzielt werden
konnten, sind in den letzten Jahren vielfältige Anstrengungen
unternommen worden, Methoden und Techniken zu entwickeln, um auch Moleküle in der Gasphase auf Temperaturen im Millikelvin-Berreich und darunter abzukühlen. Insbesondere sind universell einsetzbare Methoden von Interesse, welche für eine breite Klasse von Molekülen geeignet sind.

Neben der Demonstration solcher Techniken sind neuerdings auch erste Anwendungen kalter Moleküle zum Gegenstand intensiver Forschungsaktivitäten geworden. Beispielsweise sind kalte Moleküle interessante Modellsysteme zur Untersuchung fundamentaler Fragestellungen der Grundlagenforschung. Sie sind insbesondere
geeignet zur Spektroskopie an Rotations- und Vibrationsübergängen in Molekülen mit höchster Auflösung.

In dieser Arbeit werden Beiträge zu den obigen Themengebieten beschrieben. Im Einzelnen wurden folgende Themengebiete bearbeitet:
- Methoden zur Erzeugung kalter (<100 mK), gespeicherter atomarer und molekularer Ionen in Massenbereich 1-470 amu wurden entwickelt.
- Die Eigenschaften der so erzeugten ein- und mehrkomponentigen Ionenplasmen
konnten systematisch untersucht und charakterisiert werden.
- Verschiedene neuartige destruktive und nichtdestruktive
Techniken für den Nachweis gekühlter Teilchenspezies wurden
entwickelt.
- Die komplexe Dynamik der erzeugten Vielteilchensysteme wurde anhand von numerischen Simulationen untersucht.
- Reaktionen zwischen sympathetisch gekühlten Atomen und
Molekülen und neutralen Teilchen konnten untersucht werden.
Mit der entwickelten Methode wurde eine Auflösung im Bereich einzelner Ionen erreicht.
- Die Möglichkeit der Kontrolle chemischer Reaktionssequenzen wurde genutzt, um kalte, nahezu lokalisierte, astrophysikalisch und metrologisch relevante Molekülionen zu erzeugen.
- Hochauflösende Rotations-Vibrations-Spektroskopie an kalten Molekülionen wurde erstmals demonstriert.
- Mittels (1+1') REMPD Laserspektroskopie wurde die Frequenz
rovibronischer Übergänge in HD+-Ionen erstmals absolut
vermessen. Die erzielte spektroskopische Genauigkeit liegt bei 2.3 ppb (absolute Genauigkeit 0.5 MHz) und stellt die bisher genaueste Messung an HD+ dar. Verglichen mit früheren Ergebnissen and HD+ konnte die spektroskopische Genauigkeit um einen Faktor 165 gesteigert werden. Aus der gemessenen Übergangsfrequenz konnte das
Elektron-zu-Proton-Massenverhältnis m_e/m_p mit einer
Genauigkeit von etwa 5 ppb hergeleitet werden.
- Eine relativ genaue Methode zur Messung der Rotationstemperatur translatorisch kalter Moleküle wurde entwickelt.

Insgesamt wurde das breite Anwendungspotenzial der sympathetischen Kühlung demonstriert. Es konnte gezeigt werden, dass die einzigartigen Eigenschaften der erzeugten kalten Ionenplasmen sich für eine Vielzahl von neuartigen Untersuchungen eignen, welche zur Entdeckung neuer physikalischer Effekte in
Vielteichensystemen und zur spektroskopischen Messungen mit allerhöchster Auflösung führen können.

This work describes the development of a novel,
universal cooling method for charged particles, sympathetic
cooling using laser-cooled atomic ions, suitable for the
production of cold (millikelvin temperatures) atomic and molecular ions trapped in radio frequency ion traps. The method was applied in experiment to a large variety of particle species, covering the mass range from 1 to 470 amu so far. Furthermore, experimental and computational methods were developed, in order to reliably identify the particles involved and to study the properties of the non-neutral one- and multi-component plasmas formed. These techniques are essential not only from the plasma physics point of view, in order to study and better understand the properties of cold, trapped non-neutral plasmas, but also for the controlled
production of cold mixed-species ion ensembles, tailored to meet specific requirements regarding particle numbers, plasma shape or translational temperature for applications in fundamental physics studies.

The techniques developed could be verified on a number of
cold model systems, thus demonstrating their general
applicability. Systematic investigations include the investigation
of collective many-body effects in coupled Coulomb systems at low temperatures, as a function of the (tunable) coupling strength.

Based on these results, first applications of cold pure and
mixed-species ion plasmas containing atomic and molecular ions were demonstrated. In particular, cold atomic and molecular ions were used in order to study ion-neutral chemical reactions and photodissociation of molecules in a new environment, whereas cold trapped hydrogen molecular ions were used to perform high-resolution rovibrational overtone spectroscopy, for the first time, with unprecedented spectral resolution. For this purpose, a generally applicable spectroscopic technique was developed and implemented, which was also used to measure the internal
(rotational) temperature of molecular ions, and thus, the
temperature of the blackbody radiation environment. The potential of this technique, e.g., for precise spectroscopic measurements on other simple molecular systems or the implementation of molecular thermometry (for applications in frequency metrology) were demonstrated.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Experimentalphysik
Dokument erstellt am:18.12.2007
Dateien geändert am:26.09.2012
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