Heteronukleare Photoassoziation in einem kalten 6Li/7Li-Gemisch

Abstract

Bei dem Prozess der Photoassoziation werden zwei kalte Atome durch Absorption eines Photons zu einem angeregten Molekül assoziiert. Die erstmalige Realisierung dieses Prozesses in einem atomaren Gemisch wird in der vorliegenden Arbeit vorgestellt, und zwar die heteronukleare Photoassoziation von magnetooptisch gespeicherten 6Li- und 7Li-Atomen. In verschiedenen Experimenten wird die Photoassoziation zu einer höchstauflösenden Spektroskopie des 6Li7Li-Moleküls sowie zur Bestimmung der Interspezies-Triplettstreulänge angewendet und das Sättigungsverhalten der Photoassoziationsrate untersucht.

Zur Erzeugung des kalten 6Li/7Li-Gemisches dient eine kombinierte magnetooptische Falle. Die gespeicherten und überlagerten Atomwolken werden mit einem durchstimmbaren Farbstofflaser beleuchtet, und die 7Li-Gleichgewichtsteilchenzahl wird als Funktion der Frequenz des Photoassoziationslasers aufgezeichnet. Lichtinduzierte Reduktionen in der 7Li-Teilchenzahl, die nur in Anwesenheit von 6Li-Atomen auftreten, sind eine eindeutige Signatur für die Photoassoziation zu 6Li7Li-Molekülen.

Heteronukleare Photoassoziationsresonanzen wurden über einen Verstimmungsbereich von 3000 GHz sowohl für die Singulett- als auch für die Triplettserie beobachtet. Die Vorhersage der Linienpositionen sowie die Identifizierung der Resonanzen erfolgten mittels der Methode der massenreduzierten Quantenzahlen. Hochaufgelöste Spektren wurden für exemplarische Singulett- und Triplettzustände aufgenommen. Die Singulettspektren sind dabei in einfacher Weise durch die atomare Hyperfeinstruktur und die Rotationsstruktur des angeregten Zustands charakterisiert. In einer weiteren Messung wurde die 6Li/7Li-Triplettstreulänge aus der Stärke der Photoassoziationsresonanzen bestimmt. Der experimentelle Wert von 43.1 a0 bestätigt die theoretischen Vorhersagen, wobei die experimentelle Unsicherheit nicht durch die Messgenauigkeit, sondern durch vereinfachte Modellannahmen in der Datenanalyse bestimmt ist. Darüberhinaus wurde die Sättigung der Photoassoziationsrate untersucht. Eine sorgfältige, zahlreiche systematische Effekte berücksichtigende Analyse der Daten für ein ausgewähltes Singulettniveau zeigt eine Sättigung der Photoassoziationsrate für zwei der vier Hyperfeinkomponenten. Die entsprechenden Sättigungsintensitäten liegen im Bereich von 40 W/cm2. In einem weiterführenden Experiment wurde die Zwei-Farben-Photoassoziation von 6Li realisiert. Die Bindungsenergie des letzten gebundenen Niveaus des Triplettgrundzustands konnte zu 24.391 GHz bestimmt werden. Ferner wurde die Autler-Townes-Aufspaltung beobachtet und daraus die Zerfallsrate in gebundene Grundzustandsmoleküle zu 4.3 x 10^5 pro Sekunde bestimmt.

Die vorgestellten Ergebnisse bilden die Grundlage für eine Vielzahl von zukünftigen Experimenten mit dem als Fermion-Boson-Gemisch hochinteressanten System 6Li/7Li.

In the process of photoassociation, two cold atoms are associated to an excited molecule by absorption of a photon. In this thesis, the first realization of this process in an atomic mixture is reported, which is the heteronuclear photoassociation of magneto-optically trapped 6Li and 7Li atoms. In various experiments, photoassociation is used for high-resolution spectroscopy of the 6Li7Li molecule and for the determination of the interspecies triplet scattering length. Moreover, the saturation behaviour of the photoassociation rate is investigated.

The cold 6Li/7Li mixture is generated in a combined magneto-optical trap. The stored and superimposed atomic clouds are illuminated by a tunable dye laser and the 7Li steady-state particle number as a function of the photoassociation laser frequency is monitored. Light-induced decrease in the 7Li particle number which only occurs in presence of 6Li atoms gives clear evidence of photoassociation to 6Li7Li molecules.

Heteronuclear photoassociation resonances were observed over a detuning range of 3000 GHz, both for the singlet and the triplet series. The prediciton of the line positions and the identification of the resonances were possible by using the method of mass-reduced quantum numbers. High resolution spectra were taken for exemplary singlet and triplet states. The singlet spectra are characterized by the atomic hyperfine structure and the rotational structure of the excited state in a simple manner. In a further measurement, the 6Li/7Li triplet scattering length was determined from the strengths of the photoassociation resonances. The experimental value of 43.1 a0 confirms the theoretical predictions, while the experimental uncertainty is determined by simplifying assumptions in the data analysis and not by the accuracy of measurement. Moreover, the saturation behaviour of the photoassociation rate was investigated. For a selected singlet transition, a careful data analysis, taking various systematic effects into account, shows saturation of the photoassociation rate for two of the four hyperfine components. The corresponding saturation intensities are in the range of 40 W/cm2. In a promising experiment, two-color photoassociation of 6Li was realized. The binding energy of the last bound level of the triplet ground state was determined to 24.391 GHz. Furthermore, Autler-Townes splitting was observed and the decay rate to bound ground-state molecules was derived to 4.3 x 10^5 per second.

These results are fundamental for a great number of future experiments with the system 6Li/7Li, which is particularly interesting due to its Fermion-Boson character.