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Quantum-state controlled reactive scattering at tunable collision energy

Applicant Dr. Katrin Dulitz
Subject Area Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Term from 2017 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 391945816
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

Mischungen verschiedener ultrakalter atomarer Spezies werden verwendet, um ultrakalte heteronukleare Moleküle zu erzeugen. Letztere können langreichweitige, anisotrope Wechselwirkungen aufweisen, welche für eine Vielzahl physikalischer und chemischer Untersuchungen in einem von Quanteneffekten dominierten Regime genutzt werden können. Für das Fangen verschiedener Atomsorten müssen reaktive Stöße effizient unterdrückt werden. Besonders in Experimenten mit angeregten, langlebigen (metastabilen) Atomen sind reaktive Stöße problematisch, da diese über Chemi-Ionisationsprozesse andere Atome mit niedrigerer Ionisationsenergie effizient ionisieren können. Als ersten Schritt zum gemeinsamen Fangen von Lithium-Atomen (Li) und metastabilen Helium-Atomen (He*) wurden in diesem Projekt verschiedene Mechanismen untersucht, die Chemi-Ionisationsreaktionen beeinflussen. Da während des Stoßprozesses ein Elektron von Li an He übertragen wird, ist das He*-Li-System ist auch als Modellsystem zum allgemeinen Verständnis von Elektronentransferprozessen, welche in der Natur allgegenwärtig sind, sehr interessant. Im Experiment wurde eine kryogene Überschallstrahlquelle für die Produktion metastabiler Atome und Moleküle mit einer magneto-optischen Falle für Li kombiniert. Da durch Änderung der experimentellen Bedingungen verschiedenste metastabile Spezies erzeugt werden können, ist das Experiment vielseitig nutzbar. In diesem Projekt wurden neben reaktiven He*-Li-Stößen auch Stöße von metastabilen N2-Molekülen und von metastabilen NO-Molekülen mit Li untersucht. Die Interpretation der Messdaten stellte in diesen Experimenten eine besondere Herausforderung dar, da die theoretische Beschreibung von reaktiven Stößen mit Atomen und Molekülen in angeregten Zuständen sehr schwierig ist. Um zwischen den Beiträgen der beiden metastabilen Zustände in Helium (23S1, 21S0) zu unterscheiden, wurde ein neues, laserbasiertes Schema zur Entvölkerung des 21S0-Zuständes entwickelt. Laseranregung wurde ebenfalls genutzt, um die verbliebenen He*-Atome sowie die Li-Atome vor dem Stoß in ausgewählte magnetische Zuständen zu bringen. Die Ergebnisse dieser Experimente bei thermischen Stoßenergien zeigen, dass Chemi-Ionisationsreaktionen zwischen He* und Li durch gezielte relative Ausrichtung der Elektronenspins effizient kontrolliert werden können. Unsere Ergebnisse zeigen eine starke Unterdrückung (Erhöhung) der Ionisationsrate für Reaktionen ohne (mit) Spinerhaltung. Die unvollständige Unterdrückung der Reaktion weist auf eine anisotrope Kopplung zwischen Kanälen unterschiedlicher Symmetrie hin, die zur Verletzung der Spinerhaltungsregel führt. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Ionisationsrate auch abnimmt, wenn die Li-Atome mit einem Laser in die 22P1/2,3/2-Zustände angeregt werden, was auf einen Erhalt der Projektion des Gesamtdrehimpulses auf die Kernverbindungsachse zurückgeführt wird. Die Ergebnisse dieser Experimente legen nahe, dass die verlustarme Produktion ultrakalter He*-Li-Ensembles bei geschickter Wahl des Überganges für die Laserkühlung von Li sowie unter Nutzung spinpolarisierter Atome möglich sein wird.

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