Wechselwirkung von Anionen mit ultrakalten Atomen

Bei sehr tiefen Temperaturen verhalten sich Moleküle ganz anders als bei den Temperaturen unserer natürlichen Umgebung. Das eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung fundamentaler Phänomene die von der Quantenmechanik beherrscht werden, wie zum Beispiel kalte Stöße oder chemische Reaktionen. Man findet außerdem eine Fülle von spannenden Anwendungsmöglichkeiten, darunter die Hochpräzisionsspektroskopie oder die Quanteninformationsverarbeitung. Im letzten Jahrzehnt wurde eine zunehmende Zahl von Techniken entwickelt, um kalte oder ultrakalte molekulare Ensembles zu realisieren. Trotzdem ist eine zielführende Methode für die sehr tiefe Kühlung einer ganzen Klasse von Molekülen, negativ geladene molekulare Ionen, bislang nicht verfügbar. Dieses Projekt zielt auf die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen ultrakalten Atomen und negativ geladenen molekularen Ionen. Unser zentrales Ziel ist es die Kühlung der Bewegung der molekularen Ionen, sowie ihrer Rotationen und Vibrationen, mit Hilfe ultrakalter Atome zu demonstrieren. Mit diesen kalten Molekülen werden wir dann Reaktionswahrscheinlichkeiten messen, um ein besseres Verständnis von Reaktionsdynamik bei tiefen Temperaturen zu gewinnen. Für die geplanten Experimente wird eine spezielle Hybrid- Falle für kalte Atome und Ionen eingesetzt, die wir kürzlich gemeinsam entwickelt haben. Dieses 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.

In diesem Projekt haben wir die Wechselwirkung einer Wolke ultrakalter Atome mit gefangenen negativ geladenen Ionen untersucht. Das Ziel war herauszufinden, ob negative Ionen durch Stöße mit kalten Atomen zu Temperaturen nahe der oder sogar unter die Temperatur von flüssigem Helium gekühlt werden können. Um dieses Experiment durchzuführen habe wir eine Magneto-optische Falle für laser-gekühlte Rubidium Atome mit einer Oktupol-Radiofrequenz-Ionenfalle kombiniert, die mit einem Ensemble Massen-selektierter negativer Ionen geladen wird. Wir haben Laser-basierte Elektronenablösung implementiert, um die räumliche Dichteverteilung der gefangenen Ionen zu bestimmen. Aus den Flugzeit-Verteilungen der extrahierten Ionen konnten wir die Temperatur der Bewegung der Ionen in der Falle bestimmen. Diese Analyse basierte auf umfangreicher numerischer Modellierung der Ionenbewegung in der Falle und nach der Extraktion zum Flugzeit-Detektor. Bei Untersuchungen von O- und OH- Ionen konnten wir so schließlich Kühlung durch Stöße mit den ultrakalten Rubidium-Atomen beobachten. Kühlung der O- Anionen konnten wir ebenfalls durch erzwungene Elektronenablösung der schnellsten Ionen in der Falle, gefolgt von Rethermalisierung, erzielen. Die Kühl-Experimente mit OH- wurden durch chemische Reaktionen mit den Rubidium-Atomen behindert, die zu Ionenverlusten aus der Falle führen. Wir untersuchten diese konkurrierenden Prozesse und fanden interessante Reaktionsdynamik, die ganz unterschiedlich ist für Rubidium im Grundzustand oder im optisch angeregten Zustand. Im Vergleich mit theoretischen Rechnungen haben wir entdeckt, dass die Reaktion von OH- mit Rb nur für bestimmte Orientierungen des negativen Ions stattfindet. Schließlich haben wir die Experimente auf negativ geladene Wasser-Cluster ausgeweitet, um auf die Frage des Übergangs von der Gasphase zur kondensierten Phase einzugehen. Unsere Experimente zeigen, dass die Kühlung negativer Ionen mit ultrakalten Atomen tatsächlich möglich ist, insbesondere wenn die Reaktivität unterdrückt ist wie im Fall von O-. Das könnte neue Perspektiven für Experimente zu kalten Stößen oder zur Präzisionsspektroskopie an kalten negativen Ionen eröffnen. Das Projekt wurde in in enger Kollaboration zwischen zwei Gruppen an der Universität Heidelberg in Deutschland und der Universität Innsbruck in Österreich durchgeführt. Diese Kollaboration und der damit verbundene Austausch von wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern war für den Projekterfolg essentiell.