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 Molekulen zu erzeugen und zu studieren. Die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den Molekulen sollte es moglich machen, bisher nicht beobachtete Quanten-Vielteilchenzustande zu beobachten und prototypische Gittermodelle der Festkorperphysik zu simulieren, die zur Beschreibung von Quantenmagnetismus und Hochtemperatursupraleitern verwendet werden. Das 23Na40K Molekul ist fur diesen Zweck besonders gut geeignet, da es in einer zwei-Korper Kollision chemisch stabil ist, fermionischer Quantenstatistik unterliegt und ein starkes Dipol Moment aufweist. Die experimentelle Prozedur zur Erzeugung eines ultrakalten Quantengases aus hetero-nuklearen Molekulen erfordert es, zuerst die elementaren Bestandteile des Molekuls durch Laser- und Verdampfungskuhlen in den Zustand der simultanen Quantenentartung zu uberfuhren. Die Wechselwirkung zwischen den bosonischen 23Na und den fermi-ionischen 40K Atomen lasst sich durch Ausnutzen einer Feshbach Streuresonanz mit einem externen Magnetfeld kontrollieren. In der Nahe einer solchen Feshbach Resonanz werden schwach gebundene 23Na40K Molekule durch Radiofrequenzassoziation erzeugt. In einem weiteren Schritt sollen diese Feshbach Molekule durch eine stimulierte Raman adiabatische Passage (STIRAP) in den rovibronischen und Hyperfein-Grundzustand des Molekuls uberfuhrt werden. Die Differenz der Bindungsenergie wird hierbei nicht spontan frei, was unweigerlich die Aufhebung der Quantenentartung des Molekulgases zur Folge hatte, sondern wird durch stimulierte Emission kontrolliert abgefuhrt. Die Kombination beider Methoden, der Feshbach Assoziation und der STIRAP, erlaubt es den Prozess der Molekulbindung 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, uber welches das Feshbach Molekul mit dem rovibronischen Grundzustand in einen zwei-Photonen Ubergang gekoppelt wird. Ein solches Zwischenniveau konnte durch hochauflosende Molekulspektroskopie 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 moglich den rovibronischen Grundzustand (ebenfalls Spin-Singulett) zu adressieren. Die zugehorige Ubergangsfrequenz konnte durch koharente Zwei-Photonen Spektroskopie bestimmt werden. Durch elektromagnetisch induzierte Transparenz wurden die Rabifrequenzen beider STIRAP Ubergange bestimmt und die Koharenzeigenschaften des Dunkelzustandes untersucht. Bis zum heutigen Zeitpunkt ist es nicht moglich den identifizierten Zwischenzustand zu benutzen um 23Na40K Molekule in den rovibronischen Grundzustand zu uberfuhren. Das Phasenrauschen der zum Einsatz kommenden Halbleiter-Laser konnte als limitierender Faktor identifiziert werden. Daruberhinaus fuhrt die spektroskopisch nicht auflosbare molekulare Hyperfeinstruktur des $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ Zustands zu einer Konfiguration in der kein echter Dunkelzustand existiert, der fur die STIRAP benutzt werden kann. Aus diesen Grunden erscheint es unwahrscheinlich, dass das gegenwartige STIRAP Schema (Halbleiterlaser, $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ Zwischenniveau, resonante STIRAP) Grundzustandsmolekule mit hoher Effizienz erzeugen wird. Dieses Schema kann jedoch durch ein anderes ersetzt werden, das erst kurzlich erfolgreich fur den Grundzustands-Transfer von 23Na40K verwendet wurde. Die gunstigen Eigenschaften des 23Na40K Molekuls in Kombination mit dem hier prasentierten Experimentaufbau sollten es daher in Zukunft moglich machen, dipolare Vielteilchensysteme zu erzeugen und zu studieren.