Matter wave interferences of potassium molecules and the influence of collisions with potassium atoms in the ground state [Elektronische Ressource] / von Ivan V. Sherstov

Ivan V. Sherstov

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• Physik

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 40
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Matter wave interferences of potassium molecules
and the influence of collisions with potassium atoms
in the ground state






Von der Fakultät für Mathematik und Physik der
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover


zur Erlangung des Grades




Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.



genehmigte Dissertation

von

Dipl.-Phys. Ivan V. Sherstov
geboren am 10.11.1979 in Moskau (Russland)

2006




























Referent: Prof. Dr. E. Tiemann
Korreferent: Prof. Dr. J. Großer

Tag der Promotion: 21. Juli 2006


To my wife Yulia and son Alexander

Abstract

Ivan V. Sherstov

Materiewelleninterferencen von Kaliummolekülen und der Einfluß
von Stößen mit Kaliumatomen im Grundzustand

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die Eignung und die Präzision von
molekularer Materiewellen-Interferometrie für das Studium von schwachen
Wechselwirkungen wie kalten Stößen zu untersuchen. Dafür wurde ein Ramsey-
Bordé Aufbau eines molekularen Materiewellen-Interferometers mit vier
Laserstrahlteilern an einem Überschall-Atomstrahl von Kalium verwendet, in
welchem einige Prozent K Moleküle verdünnt sind. Die beobachteten Signale sind 2
eine Superposition von zwei unterschiedlichen Interferenzmustern: Eines ist die
Interferenz vom Ramsey-Bordé Typ entsprechend einer Verschiebung der
molekularen Wellenpakete gegeneinander in Längsrichtung in der Richtung des
Überschallstrahls, die durch zwei gegenläufige Paare von Laserstrahlen erzeugt wird.
Das zweite ist eine rein optische Ramsey Interferenz: ein räumlicher Überlapp der
verhältnismäßig großen molekularen Wellenpakete in der transversalen Richtung
verursacht durch ein Paar von Laserstrahlen. In der vorliegenden Konfiguration
unseres molekularen Materiewellen-Interferometers konnten die möglichen Ausgänge
im Grund- und angeregten Zustand unabhängig verwendet werden. Ein Vergleich der
Eigenschaften des Ausgangs im angeregten Zustand und des Grundzustandsausgangs
wurde für verschiedene Molekülübergänge durchgeführt. Der neu entwickelte
Grundzustandsausgang bietet den Vorteil der Beobachtung von Interferenzen einzeln
aufgelöster Hyperfeinstrukturkomponenten
. Die Materiewellen-Interferometrie wird hier angewendet, um niederenergetische
Stöße zwischen Atomen und Molekülen in einem Überschallstrahl von Kalium zu
untersuchen. Die K -Moleküle bewegen sich in einem atomaren Medium und 2
bekommen dabei eine zusätzliche Phasenverschiebung entsprechend den kalten
Stößen mit den Atomen (die Relativgeschwindigkeit zwischen Atomen und
Molekülen entspricht 16 K). Die Verschiebung der Interferenzmuster bei Änderungen
der Eigenschaften des Mediums, d.h. bei Veränderung der Dichte der Atome im
Atomstrahl, wurde untersucht. Mit Ablenkung der Atome aus Molekülstrahl war es
möglich, die Atomdichte um eine Größenordung zu ändern und eine
Phasenverschiebung der Interferenzstruktur zu beobachten, die einer
Druckverschiebung von ungefähr 10 kHz für den Molekülübergang des Kaliums
entspricht. Systematische Untersuchungen zeigten keine Abhängigkeit der
Druckverschiebung von Vibrations- und Rotationsquantenzahl in dem untersuchten
Bereich. Als ein alternativer Weg, die Druckverschiebung auf Grund von Stößen
zwischen Atomen und Molekülen zu studieren, wurden absolute Frequenzmessungen
von Molekülübergängen, mit ein- und ausgeschalteter atomarer Dichte, unter
Anwendung des Frequenzkammes eines Femtosekundenlasers durchgeführt. Die
Ergebnisse der direkten Messungen der Druckverschiebung zeigte keinen
Widerspruch zu den interferometrischen Messungen innerhalb der experimentellen
Unsicherheiten und der Effizienz der Ablenkung der Atome.

Schlagworte zum Inhalt
Materiewellen-Interferometrie, K , kalte Stöße, absolute Frequenzmessungen 2
Abstract

Ivan V. Sherstov

Matter wave interferences of potassium molecules and the influence
of collisions with potassium atoms in the ground state

The aim of the current work is to investigate the suitability and the precision of
molecular matter wave interferometry for study of weak interactions like cold
collisions. For this a Ramsey-Bordé setup of a molecular matter wave interferometer
with four laser beam splitters was realized in a supersonic atomic beam of potassium
with a few percent of K molecules diluted in it. The observed signals are a 2
superposition of two different interference patterns. One is the Ramsey-Bordé type
interference due to a longitudinal displacement of molecular wave packages in the
direction of the supersonic beam produced by two pairs of counter propagating laser
beams. The second one is pure optical Ramsey fringes: a spatial overlap of relatively
large molecular wave packages in the transversal direction created by only two laser
beam splitters.
In the present configuration of our molecular matter wave interferometer both
possible exits in the ground and excited states could be independently used. A
comparison of the properties of excited state exit and ground state exit operated on
different molecular transitions was done. The newly developed ground state exit gives
the advantage to observe fully resolved hyperfine interferences.
The matter wave interferometry is applied to examine low energy collisions in a
supersonic potassium beam between atoms and molecules. K molecules propagate 2
through an atomic medium and hence gain some additional phase shift due to cold
collisions (relative atom-molecule velocity corresponding to 16 K) with the atoms. By
changing the properties of the medium, i.e. varying the density of the atoms in the
beam, the shift of the interference patterns was investigated.
By deflecting atoms out of molecular beam we were able to change the atomic
density by one order of magnitude and observed a phase shift of the interference
structure relating to a pressure shift of about 10 kHz for the molecular transition of
potassium. Systematic investigations did not show any dependence of the pressure
shift on vibrational and rotational quantum in the limit range studied.
As an alternative way to study the pressure shift due to atom-molecular collisions
absolute frequency measurements of the molecular transitions with atomic density in
the beam switched on and off were carried out applying the frequency comb of a fs-
laser. The results of the direct measurements of the pressure shift did not show a
contradiction to the interferometric measurements within experimental uncertainties
and efficiency of the atomic deflection.

Keywords of the contents

matter wave interferometer, K , cold collisions, absolute frequency measurements 2

Table of contents


Table of Contents

Table of Contents...................................................................................................... - 1 -
List of Figures ........................................................................................................... - 5 -
1. Introduction....................................................................................................... - 9 -
2. Principles of matter wave interferometry ....................................................... - 13 -
2.1. Manipulation of matter waves (beam splitters by resonant light fields). - 13 -
2.2. Ramsey-Bordé matter wave interferometer with four laser beam splitters .....
................................................................................................................. - 15 -
2.3. Optical Ramsey matter wave interferometer with two laser beam splitters ....
................................................................................................................. - 18 -
2.4. Simultaneous observation of two and four laser beam splitter matter wave
interferometers .................................................................................................... - 19 -
2.4.1. Transversal and longitudinal coherence in a supersonic molecular
beam ......................................................................................................... - 23 -
3. Experimental setup.......................................................................................... - 27 -
3.1. Molecular beam machine........................................................................ - 28 -
3.1.1. Vacuum apparatus........................................................................... - 28 -
3.1.2. Fluorescence detection.................................................................... - 30 -
3.1.3. Data acquisition system .................................................................. - 33 -
3.2. Laser source for molecular matte