Ein Ion in einem See ultrakalter neutraler Atome

Wir schlagen eine Linie von faszinierenden Experimenten vor, in denen ein einzelnes Ion mit ultrakalten, neutralen Atomen wechselwirkt. Dazu wird ein lasergekühltes, in einer Ionenfalle gefangenes Ca+ Ion in ein Rubidium Bose- Einstein Kondensat eingetaucht und die resultierende Atom-Ion Dynamik beobachtet. Im Fokus der vorgeschlagenen Experimente steht die Ion-Atom Wechselwirkung, die wir zunächst studieren, um sie im Anschluss auf dem Quantenniveau zu kontrollieren und als neues Werkzeug anzuwenden. Eine Reihe interessanter physikalischer Systeme und Experimente mit interdisziplinärem Charakter können auf diese Weise realisiert werden. Diese reichen von Untersuchungen der elastischen und inelastischen Streuung zwischen Atomen und Ionen bis zum Quantencomputer. Die Wechselwirkung zwischen Atom und Ion führt zu einem interessanten singulären 1/r4 Potential. Im Rahmen der drei Jahre dieses Antrags werden wir die Teilchendynamik in diesem Potential studieren, die elastischen und inelastischen Streu- und Reaktionsprozesse identifizieren und nach Streuresonanzen (Feshbachresonanzen) suchen. Dies sollte uns erlauben, einen mesoskopischen Atom-Ion Bindungszustand zu entdecken, der vor einigen Jahren vorausgesagt wurde. Wir können auch zum ersten Mal echte ultrakalte Chemie mit Ionen betreiben und mit Hilfe sympathetischer Kühlung molekulare Ionen in ihren externen und internen Freiheitsgraden in den Grundzustand bringen. Viele weitere faszinierende Experimente mit dem Ion-Atom System sind möglich jenseits der 3-Jahre Förderungsperiode. So kann man den Ladungstransport in ultrakalten Atomgasen studieren, der bei tiefen Temperaturen durch Ladungstransfer zwischen Atom und Ion getragen werden soll. Arbeitet man mit einem atomaren Mott Isolator Zustand sollte es möglich sein, einzelne Atome und das Ion quantenmechanisch zu verschränken. In einer weiteren Anwendung, könnte die Verwendung des Ions als Adressierungs-Instrument eine einfache Lösung des bekannten `Adressierungs-problems` in der Quanteninformations-verarbeitung mit optischen Gittern darstellen. Die Kombination von Ionen mit neutralen Atomen könnte uns auf diesem Wege dem Quantencomputer näherbringen. Erst seit kurzem, nach den bemerkenswerten Fortschritten auf den Gebieten der ultrakalten gefangenen Atome und Ionen, sind diese Experimente nun durchführbar geworden. Atome und Ionen können bis zum Quantenzustand vollständig kontrolliert und manipuliert werden. Quantenmechanische Probleme sind jetzt experimentell vollständig zugänglich in einer im Wesentlichen perfekten Umgebung. Glücklicherweise sind die Fallentechniken für Ionen und Atome auf wunderbare Weise miteinander kompatibel und stören sich praktisch nicht gegenseitig. Paulfallen im End-Kappen Design erlauben optischen Zugang zum Ion von allen Seiten. Optischen Dipolfallen bieten sich an zum Halten der ultrakalten Atome und können zum Überlapp mit der Ionenfalle gebracht werden. Atom- und Ionenfallen -Technologien ergänzen sich gegenseitig und die Kombination beider öffnet das Tor zu einer neuen Generation von Experimenten und Fragestellungen mit interdisziplinärem Charakter. Das Institut für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck ist ein idealer Platz für die vorgeschlagenen Experimente aufgrund der dort vorhandenen großen Expertise in Quantenoptik mit Ionenfallen, sowie atomaren und molekularen Quantengasen.

Wir haben ein neuartiges Experiment aufgebaut, um die Wechselwirkung zwischen lasergekühlten Ionen in einer Falle und ultrakalten, neutralen Atomen zu untersuchen. Dieses neue, unerforschte Forschungsgebiet bietet eine Fülle von faszinierenden Experimenten im Bereich der Quantenphysik. Die Erzeugung neutraler Quantengase in den letzten Jahren hat eine Revolution neuer Erkenntnisse und beobachteter Phänomene ausgelöst. Geladene Quantengase, die aus kalten, starkwechselwirkenden Atomen und Ionen bestehen, werden zusätzliche Möglichkeiten für spannende Forschung bieten. Interessanterweise, obwohl die Technologien für die Handhabung kalter Ionen und Atome sehr ähnlich sind, z.B. in Bezug auf Laserkühlung oder Ultrahochvakuumtechnologie, waren beide Forschungsfelder bis vor kurzem strikt getrennte Bereiche. Unsere experimentelle Arbeit hat zum ersten Mal diese beiden zusammengebracht. Es ist ein erster Schritt, um dieses Forschungsgebiet zu öffnen und das wissenschaftliche Potential des ultrakalten Atom-Ionen Systems zu untersuchen. In unserer Arbeit entwickelten wir eine spezielle Apparatur, die es uns erlaubt, eine genau definierte Zahl gefangener Barium-Ionen mit einem ultrakalten Gas von Rubidium (Rb) Atomen, z.B. in Form eines Bose-Einstein Kondensats, zu kombinieren. Mit einem optischen Transport wird eine kalte Rb Wolke von einer Vakuumkammer in eine benachbarte überführt. In dieser Kammer befindet sich auch eine Paul Falle, die die Ionen speichert. Die Ionen werden in die Atomwolke eingetaucht, so dass Sie sich auf genau definierter Position innerhalb der Atomwolke befinden. Die anschließende Dynamik der neutralen Atome und der Barium Ionen, die mit einander wechselwirken, kann dann mit Hilfe einer hochempfindlichen CCD Kamera beobachtet werden. Wir haben zunächst die niederenergetischen Stöße zwischen den Atomen und Ionen untersucht. Wie erwartet, sind die elastischen Streuquerschnitte sehr groß aufgrund eines Potentials mit großer Reichweite zwischen den Teilchen. Als dominanten inelastischen Prozess haben wir Ladungsaustausch zwischen einem neutralen Rb Atom und dem Ba+ Ion beobachtet. Glücklicherweise ist dieser Prozess sehr selten. Er findet nur in einem von zehntausend Stößen statt. Das sind gute Neuigkeiten, weil dies unerwünschte Verluste begrenzt. Gleichzeitig öffnet dies die Tür für ein weites Feld an zukünftigen Experimenten, wo es z.B. darum gehen wird, die Existenz eines seltsamen Bindungszustandes zu beweisen, in dem eine Gruppe von Rb Atomen an Ion geheftet sind. Ein anderes Beispiel wäre die Erzeugung eines geladenen Quantengases, dessen Eigenschaften zu untersuchen sind.