Dokument: Investigation of the Excited-State Potentials of Ultracold RbYb - Towards Light-Shift Spectroscopy

Titel:	Investigation of the Excited-State Potentials of Ultracold RbYb - Towards Light-Shift Spectroscopy
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=70707
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250911-110956-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Sillus, Christian David [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,68 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.09.2025 / geändert 10.09.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Görlitz, Axel [Gutachter] Prof. Dr. Heinzel, Thomas [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	This thesis presents the latest results and technical advancements of the ultracold molecule experiment within the Görlitz group in Düsseldorf, originally initiated by Tobias Franzen [1] and subsequently extended by Bastian Pollklesener [2]. The overarching goal is to develop robust pathways for the formation of ground-state molecules composed of rubidium (Rb) and ytterbium (Yb) via photoassociation (PA). Ultracold RbYb ground-state molecules offer access to rich and tunable long-range interactions due to their electric and magnetic dipole moments, enabling new regimes of quantum simulation, precision measurements, and ultracold chemistry. Our apparatus consists of three distinct vacuum chambers – two production and one science chamber – enabling independent preparation of each species, enhanced optical access, and improved maintainability. In the science chamber, a mixture of ultracold Rb and Yb is prepared, serving as the basis for all photoassociation experiments. An extensive search for weakly bound molecular states near the intercombination line of Yb in ⁸⁷Rb¹⁷⁰Yb was carried out across a detuning range of 0.1–11 GHz, resulting in the discovery of a single resonance pair with binding energies of ℏ·(3057.2 ± 0.3) MHz and ℏ·(3074.3 ± 0.3) MHz. One-photon photoassociation spectroscopy was performed in a bulk trap as well as in two- and three-dimensional lattices, achieving a maximum photoassociation rate of K₃D = (1.0 ± 0.2) × 10⁻¹² cm³/s in a 3D lattice. Two-photon photoassociation spectroscopy targeted the two least bound levels of the ²Σ₁/₂ ground state potential, yielding binding energies of E_B(Δv = 1) = ℏ·(101.9 ± 0.1) MHz and E_B(Δv = 2) = ℏ·(1011.9 ± 0.1) MHz. Dark resonance spectroscopy enabled the precise determination of free-bound and bound-bound Rabi frequencies. For the realization of an ultracold molecule experiment, a diverse set of highly stable, tunable, and narrow-linewidth laser systems spanning a broad wavelength range is required. Core contributions of my individual work are new active and passive frequency stabilization techniques for the laser systems operating near the intercombination line of Yb, along with a stable laser system for efficient Yb slowing. These improvements significantly increase the experimental stability, a critical prerequisite for reliable photoassociation experiments. A series of optical dipole traps is used for trapping, transport, and cooling of both species, including the production of quantum-degenerate Bose–Einstein condensates. A dual-species ultracold atomic mixture was realized through a complex merging process involving two independent crossed dipole traps and vertical transport via an optical lattice. Several prospective improvements to the experimental apparatus are proposed to enhance the efficiency of photoassociation near the Yb intercombination line. In addition, the limitations of this method are critically evaluated and compared with earlier results obtained near the Rb D1 line. Combining the sharp spectral features of the intercombination line with the strong coupling strengths available at the D1 line promises substantial gains in the formation of ultracold molecules and the exploration of their interaction potentials. The second major focus of my work involves the design of experimental configurations and accompanying theoretical considerations for implementing light-shift spectroscopy with this hybrid approach, and theoretical estimations for potential energy curves and corresponding vibrational levels were made. Due to the complexity of an ultracold molecule experiment, which demands continuous maintenance and the development of new experimental setups, this work is inherently a collaborative effort. Consequently, Tobias and Bastian have also contributed to or presented some of the results shown here. Diese Dissertation präsentiert die neuesten Ergebnisse und technischen Fortschritte des Ultrakaltmolekülexperiments in der Görlitz-Gruppe in Düsseldorf, das ursprünglich von Tobias Franzen [1] initiiert und anschließend von Bastian Pollklesener [2] erweitert wurde. Das übergeordnete Ziel ist die Entwicklung robuster Pfade zur Bildung von Molekülen im Grundzustand aus Rubidium (Rb) und Ytterbium (Yb) mittels Photoassoziation (PA). Ultrakalte RbYb-Moleküle im Grundzustand ermöglichen durch ihre elektrischen und magnetischen Dipolmomente Zugang zu komplexen und einstellbaren langreichweitigen Wechselwirkungen, wodurch neue Regime der Quantensimulation, Präzisionsmessungen und Ultrakaltchemie erschlossen werden können. Unser Aufbau besteht aus drei separaten Vakuumkammern – zwei Produktionskammern und einer Wissenschaftskammer – was die unabhängige Präparation beider Spezies, einen verbesserten optischen Zugang sowie eine leichtere Wartung ermöglicht. In der Wissenschaftskammer wird eine Mischung aus ultrakaltem Rb und Yb präpariert, die die Grundlage aller Photoassoziationsexperimente bildet. Eine umfangreiche Suche nach schwach gebundenen Molekülzuständen nahe der Interkombinationslinie von Yb in ⁸⁷Rb¹⁷⁰Yb wurde über einen Frequenzbereich von 0,1–11 GHz durchgeführt, was zur Entdeckung eines einzelnen Resonanzpaares mit Bindungsenergien von ℏ·(3057,2 ± 0,3) MHz und ℏ·(3074,3 ± 0,3) MHz führte. Ein-Photonen-Photoassoziationsspektroskopie wurde sowohl in einer Bulk-Falle als auch in zwei- und dreidimensionalen Gittern durchgeführt, wobei eine maximale Photoassoziationsrate von K₃D = (1,0 ± 0,2) × 10⁻¹² cm³/s in einem 3D-Gitter erreicht wurde. Zwei-Photonen-Photoassoziationsspektroskopie zielte auf die beiden am schwächsten gebundenen Zustände des ²Σ₁/₂-Grundzustandspotentials ab und ergab Bindungsenergien von E_B(Δv = 1) = ℏ·(101,9 ± 0,1) MHz und E_B(Δv = 2) = ℏ·(1011,9 ± 0,1) MHz. Dunkelresonanzspektroskopie ermöglichte die präzise Bestimmung von freien und gebundenen Rabi-Frequenzen. Für die Realisierung eines Ultrakaltmolekülexperiments wird eine Vielzahl hochstabiler, abstimmbarer und schmalbandiger Lasersysteme über einen breiten Wellenlängenbereich benötigt. Wesentliche Beiträge meiner eigenen Arbeit bestehen in der Entwicklung neuer aktiver und passiver Frequenzstabilisierungstechniken für die Lasersysteme nahe der Interkombinationslinie von Yb sowie in einem stabilen Lasersystem zur effizienten Yb-Abbremsung. Diese Verbesserungen steigern die experimentelle Stabilität erheblich – eine entscheidende Voraussetzung für verlässliche Photoassoziationsexperimente. Eine Reihe optischer Dipolfallen wird zum Fangen, Transportieren und Kühlen beider Spezies verwendet, einschließlich der Erzeugung entarteter Bose–Einstein-Kondensate. Eine Mischung aus beiden Atomarten wurde durch einen komplexen Zusammenführungsprozess zweier unabhängiger gekreuzter Dipolfallen und vertikalen Transports über ein optisches Gitter realisiert. Mehrere mögliche Verbesserungen des experimentellen Aufbaus werden vorgeschlagen, um die Effizienz der Photoassoziation nahe der Yb-Interkombinationslinie zu steigern. Darüber hinaus werden die Grenzen dieser Methode kritisch bewertet und mit früheren Ergebnissen nahe der Rb-D1-Linie verglichen. Die Kombination der scharfen spektralen Eigenschaften der Interkombinationslinie mit den starken Kopplungsstärken der D1-Linie verspricht erhebliche Fortschritte bei der Erzeugung ultrakalter Moleküle und der Erforschung ihrer Wechselwirkungspotentiale. Der zweite Hauptfokus meiner Arbeit liegt im Entwurf experimenteller Konfigurationen und begleitender theoretischer Überlegungen zur Implementierung von Light-Shift-Spektroskopie mit diesem hybriden Ansatz. Theoretische Abschätzungen für Potentialkurven und die zugehörigen Vibrationsniveaus wurden durchgeführt. Aufgrund der Komplexität eines Ultrakaltmolekülexperiments, das eine kontinuierliche Wartung und die Entwicklung neuer experimenteller Aufbauten erfordert, ist diese Arbeit inhärent ein Gemeinschaftsprojekt. Dementsprechend haben auch Tobias und Bastian zu einigen der hier gezeigten Ergebnisse beigetragen oder diese präsentiert.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Experimentalphysik
Dokument erstellt am:	11.09.2025
Dateien geändert am:	11.09.2025
Promotionsantrag am:	02.07.0025
Datum der Promotion:	22.08.0025