Villwock, Patrick (2010)
Kühlen und Fangen von neutralen Hg-Atomen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Natürliches Quecksilber bietet eine Vielzahl möglicher Experimente auf dem Gebiet der kalten Atom- und Molekülphysik. Durch Photoassoziation erzeugte kalte Hg-Dimere lassen sich aufgrund der Struktur ihrer Potentialkurven in den Schwingungsgrundzustand pumpen. Hg-Dimere des Isotops 199Hg eignen sich zum Testen der Bell’schen Ungleichungen für Atome, da sie im Grundzustand ideale Spin-1/2-Teilchen darstellen. Als schweres Dimer eignet sich Quecksilber ideal zur Suche nach einem permanenten elektrischen Diplomoment. Weiter bietet der 1S0-3P0-Übergang mit einer Wellenlänge von 265,6 nm und einer natürlichen Linienbreite von ca. 100 mHz als Uhrenübergang an. Eine optische Gitteruhr basierend auf neutralen Hg-Atomen könnte eine unerreichte systematische Ungenauigkeit im 10^-18-Bereich bieten. Der Vergleich verschiedener Zeitstandards eignet sich zur Untersuchung einer möglichen zeitlichen Variation der Feinstrukturkonstante. Kalte gefangene Hg-Atome in einer magneto-optischen Falle (MOT) stellen eine hervorragende Quelle für eine Ionenfeinstrahlanlage dar. Die Isotopenselektivität der MOT bietet die Möglichkeit zur Produktion reiner Hg-Isotope. Quecksilber bietet fünf bosonische und zwei fermionische stabile Isotope. Die als Kühlübergang eingesetzte Interkombinationslinie 1S0-3P1 bei 253,7 nm hat eine Sättigungsintensität von 10,2 mW/cm2, mit einer natürlichen Linienbreite von 1,27 MHz. Da der Grundzustand keine Fein- oder Hyperfeinstruktur aufweist, ist der Übergang geschlossen, so dass kein Rückpumplaser benötigt wird. Die vergleichsweise lange Lebensdauer des Übergangs führt zu einer geringen Doppler-limitierten Temperatur von 30 uK. Diese Arbeit stellt die Entwicklung und den Aufbau einer MOT für neutrale Hg-Atome vor. Zum Kühlen und Fangen von Hg-Atomen war die Entwicklung eines bis heute nicht erhältlichen Lasers notwendig. Die Anforderungen an diesen Laser sind aufgrund der relativ hohen Sättigungsintensität und der geringen natürlichen Linienbreite und Wellenlänge des Kühlübergangs sehr hoch. Die entwickelte UV-Laserquelle basiert auf einem schmalbandigen, weitverstimmten single-mode und single-frequency Yb:YAG Scheibenlaser mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung von 5 W bei einer Wellenlänge von 1014,9 nm. Durch zweifache externe Frequenzverdopplung wird eine bisher unerreichte Laserleistung von 280 mW bei 253,7 nm generiert. Als nichtlineares Medium werden ein LBO- und ein BBO-Kristall innerhalb zweier getrennter Überhöhungsresonatoren eingesetzt. Diese Resonatoren werden nach dem Hänsch-Couillaud- bzw. Pound-Drever-Hall-Verfahren stabilisiert. Die Stabilisierung der Fundamentalen erfolgt mittels Sättigungsspektroskopie an einer Hg-Zelle. Dies ermöglicht die absolute Stabilisierung auf den atomaren Übergang des zu fangenden Isotops mit Frequenzmodulationsspektroskopie. Mit diesem Laser und dem in dieser Arbeit beschriebenen experimentellen Aufbau wurden erste Experimente zum Kühlen und Fangen von Hg-Atomen in einer 3D-MOT durchgeführt. Quecksilber stellt das bisher schwerste nichtradioaktive Element dar, das in einer MOT gefangen wurde. Bis heute gibt es weltweit nur zwei Arbeitsgruppen, die in der Lage sind, Quecksilber in einer MOT zu kühlen und zu fangen. An der TU Darmstadt wurde unter Verwendung der beschriebenen Laserquelle (3,2+-0,3)x10^6 202Hg-Atome in die 3D-MOT geladen. Dies stellt die höchste bisher berichtete Anzahl gefangener Hg-Atome dar, die aus dem Hintergrundgas geladen wurden. Erstmals wurden die Dimension und die Dichte einer solchen Atomwolke bestimmt.

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