Wechselwirkungen von Anionen mit ultrakalten Atomen in einer Hybrid-Falle

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Weidemüller
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322934275

Moleküle und molekulare ionen im Regime ultratiefer Temperaturen eröffnen Perspektiven für die Untersuchung fundamentaler Phämonene, wie sie beispielsweise in kalte Stöße, bei der Reaktionsdynamik oder der Quantenchemie auftreten. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von interessanten Anwendungen, z.B. in der Hochpräzisionsspektroskopie oder der Quanteninformationsverarbeitung. Im letzten Jahrzehnt wurde eine zunehmende Zahl von Techniken entwickelt, um kalte oder ultrakalte molekulare Ensembles zu realisieren. Eine zielführende Methode, molekulare Anionen in das Millikelvin-Regime zu kühlen, wurde jedoch bislang nicht demonstriert. Dieses Projekt ziel auf die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen ultrakalten Atomen und negativ geladenen molekularen Ionen. Unser zentrales Ziel ist die Demonstration sympathetischer Kühlung der molekularen Anionen mittels lasergekühlter Atome. Wir werden Methoden zur Bestimmung der Energieverteilungen von Bewegungs- und internen Freiheitsgraden verfeinern und erweitern, insbesondere mittels Photodetachment-Spektroskopie und -Tomographie. Wir werden mit diesem kalten Gemisch Ratenkoeffizienten für verschiedene reaktive Kanäle des Anion-Atom-Systems messen, um ein vertieftes Verständnis ultrakalter Reaktionsdynamik molekularer Anionen zu gewinnen. Die Verwendung einer hybriden Atom-Ionen-Falle (HAITrap) ist die ideale experimentelle Plattform, um diese Ziele zu erreichen, da sich Ionen, welche in einer Radiofrequenz-(rf-)Falle gehalten werden, mit optisch gespeicherten Atomen unter kontrollierbaren Bedingungen mischen lassen. Wir haben kürzlich eine neuartige HAITrap realisiert, welche aus einer linearen Oktupol-rf-Falle besteht, welche mit einer Dark Spontaneous Force Optical Trap (darkSPOT) für ultrakalte Atome kombiniert wird. Im Rahmen dieses Antrags werden wir das System OH- + Rb als prototypisches System für das Verständnis von elastischen und inelastischen Wechselwirkungen untersuchen. Aufgrund seiner fundamentalen Rolle in der inorganischen, organischen und Atmosphärenchemie ist das molekulare Hydroxyl-Anion ein gut geeignetes Testsystem für das Verständnis fundamentaler Fragen der Reaktionsdynamik. Das kombinierte System OH- + Rb erscheint vorteilhaft für die sympathetische Kühlung der inneren und äußeren Freiheitsgrade der molekularen Anionen, wodurch es prinzipiell möglich sein sollte, in den Vibrations- und Rotationsgrundzustand zu kühlen. Wir werden dann das Experiment zu komplexeren polyatomaren Molekülanionen erweitern, insbesondere zu hydrierten Wasserclustern OH-(H2O)n für das Studium des Übergangs von der Gas- in die flüssige Phase und zu einem weiteren prototypischen Anion, SF6-. Das Projekt baut auf der gut etablierten Kollaboration zwischen den beiden Gruppen an der Universität Heidelberg und der Universität Innsbruck auf und verbindet die komplementäre Expertise der Gruppen auf dem Gebieten der Physik ultrakalter Quantengase, Ionenfallen und molekularer Reaktionsdynamik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Roland Wester