Dual-species apparatus for creating a dipolar quantum gas of 23Na40K molecules

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines neuartigen,
atomphysikalischen Experiments beschrieben, das zum Ziel hat, stark
wechselwirkende Vielteilchensysteme bestehend aus polaren 23Na40K
Molekülen zu erzeugen und zu studieren. Die anisotrope und
langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den Molekülen
sollte es möglich machen, bisher nicht beobachtete
Quanten-Vielteilchenzustände zu beobachten und prototypische
Gittermodelle der Festkörperphysik zu simulieren, die zur
Beschreibung von Quantenmagnetismus und Hochtemperatursupraleitern
verwendet werden. Das 23Na40K Molekül ist für diesen Zweck
besonders gut geeignet, da es in einer zwei-Körper Kollision
chemisch stabil ist, fermionischer Quantenstatistik unterliegt und
ein starkes Dipol Moment aufweist. Die experimentelle Prozedur zur
Erzeugung eines ultrakalten Quantengases aus hetero-nuklearen
Molekülen erfordert es, zuerst die elementaren Bestandteile des
Moleküls durch Laser- und Verdampfungskühlen in den Zustand der
simultanen Quantenentartung zu überführen. Die Wechselwirkung
zwischen den bosonischen 23Na und den fermi-ionischen 40K Atomen
lässt sich durch Ausnutzen einer Feshbach Streuresonanz mit einem
externen Magnetfeld kontrollieren. In der Nähe einer solchen
Feshbach Resonanz werden schwach gebundene 23Na40K Moleküle durch
Radiofrequenzassoziation erzeugt. In einem weiteren Schritt sollen
diese Feshbach Moleküle durch eine stimulierte Raman adiabatische
Passage (STIRAP) in den rovibronischen und Hyperfein-Grundzustand
des Moleküls überführt werden. Die Differenz der Bindungsenergie
wird hierbei nicht spontan frei, was unweigerlich die Aufhebung der
Quantenentartung des Molekülgases zur Folge hätte, sondern wird
durch stimulierte Emission kontrolliert abgeführt. Die Kombination
beider Methoden, der Feshbach Assoziation und der STIRAP, erlaubt
es den Prozess der Molekülbindung auf fundamentaler,
quantenmechanischer Ebene zu steuern. Um die STIRAP zu
implementieren ist es notwendig, ein geeignetes molekulares
Zwischenniveau in einem elektronisch angeregten Zustand zu
identifizieren, über welches das Feshbach Molekül mit dem
rovibronischen Grundzustand in einen zwei-Photonen Übergang
gekoppelt wird. Ein solches Zwischenniveau konnte durch
hochauflösende Molekülspektroskopie im elektronisch angeregten 3\Pi
Zustand identifiziert werden. Dieser Vibrationszustand
($\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$) ist durch molekulare
Spin-Orbit Wechselwirkung an einen nah-resonanten Vibrationszustand
im $D^1\Pi$ Zustand gekoppelt. Erst durch die Beimischung dieses
Spin-Singulett Zustands ist es möglich den rovibronischen
Grundzustand (ebenfalls Spin-Singulett) zu adressieren. Die
zugehörige Übergangsfrequenz konnte durch kohärente Zwei-Photonen
Spektroskopie bestimmt werden. Durch elektromagnetisch induzierte
Transparenz wurden die Rabifrequenzen beider STIRAP Übergänge
bestimmt und die Kohärenzeigenschaften des Dunkelzustandes
untersucht. Bis zum heutigen Zeitpunkt ist es nicht möglich den
identifizierten Zwischenzustand zu benutzen um 23Na40K Moleküle in
den rovibronischen Grundzustand zu überführen. Das Phasenrauschen
der zum Einsatz kommenden Halbleiter-Laser konnte als limitierender
Faktor identifiziert werden. Darüberhinaus führt die
spektroskopisch nicht auflösbare molekulare Hyperfeinstruktur des
$\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ Zustands zu einer Konfiguration
in der kein echter Dunkelzustand existiert, der für die STIRAP
benutzt werden kann. Aus diesen Gründen erscheint es
unwahrscheinlich, dass das gegenwärtige STIRAP Schema
(Halbleiterlaser, $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$
Zwischenniveau, resonante STIRAP) Grundzustandsmoleküle mit hoher
Effizienz erzeugen wird. Dieses Schema kann jedoch durch ein
anderes ersetzt werden, das erst kürzlich erfolgreich für den
Grundzustands-Transfer von 23Na40K verwendet wurde. Die günstigen
Eigenschaften des 23Na40K Moleküls in Kombination mit dem hier
präsentierten Experimentaufbau sollten es daher in Zukunft möglich
machen, dipolare Vielteilchensysteme zu erzeugen und zu studieren.