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Laser Spectroscopy on Os- : A Prerequisite for the Laser Cooling of Atomic Anions

Warring, Ulrich

German Title: Laserspektroskopie an Os- : Eine Vorraussetzung für die Laserkühlung von atomaren Anionen

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Abstract

Laser cooling of neutral atoms or positive ions is today routinely employed in numerous experiments. Negative ions, in contrast, have distinct characteristics which hamper the application of lasers for cooling. But in 1999, the discovery of the unique bound–bound electric dipole transition in the negative osmium ion provided the motivation for a first cooling attempt. This thesis presents the first milestones toward the ultimate goal of laser cooling negative osmium, including high-resolution laser spectroscopy of the relevant bound–bound E1 transition. Its frequency – between the ground 4F9/2 and the 6DJe1 (bound) excited states – was determined to be 257.831190(35) THz in 192Os-, in agreement with a previous measurement, but two orders of magnitude more precise. The determination of the resonant cross-section implicitly provided the corresponding Einstein A coefficient, which was found to be A ~ 330 s-1. Furthermore, the isotope shift of the E1 transition and the hyperfine structure constants of the ground and excited state were obtained, for the first time, from the analysis of the spectra of all naturally abundant isotopes. The hyperfine structure revealed the heretofore unknown total angular momentum of the excited state to be Je1 = 9/2. Finally, laser spectroscopy in an external magnetic field confirmed the expected line splitting for Os- due to the Zeeman effect. Based on all these experimental results the prospect of laser cooling negative osmium is reviewed.

Translation of abstract (German)

Die Laserkühlung von neutralen Atomen und positiven Ionen wird heute erfolgreich in vielen Experimenten eingesetzt. Negative Ionen hingegen besitzen Eigenschaften, die die Anwendung von Lasern zum Kühlen erschweren bzw. unmöglich machen. Die Entdeckung des bislang einzigartigen elektrischen Dipolübergangs im negativen Osmiumion zwischen zwei gebundenen Zuständen – im Jahr 1999 – lieferte die Motivation dafür, einen ersten Kühlversuch zu unternehmen. In dieser Arbeit werden erste Zwischenergebnisse dieses Projekts präsentiert. Zu diesen gehört die hochauflösende Laserspektroskopie des entsprechenden E1-Übergangs, wobei die Übergangsfrequenz in 192Os- zwischen dem 4F9/2 Grundzustand und dem angregten (gebundenen) 6DJe1 Zustand zu 257.831190(35) THz bestimmt wurde. Diese Frequenz stimmt mit einem zuvor gemessenen Wert überein, hat aber eine um den Faktor 100 höhere Genauigkeit. Die Bestimmung des resonanten Wirkungsquerschnitts lieferte zudem den Einstein- Koeffizienten A ~ 330 s-1. Desweiteren wurden erstmals Messungen der Isotopieverschiebung des E1-Übergangs und der Hyperfeinstruktur an allen stabilen Isotopen durchgeführt und daraus die Isotopieverschiebung des E1-Übergangs sowie die Hyperfeinstruktur-Konstanten bestimmt. Dabei offenbarte die Analyse der Hyperfeinstruktur den bisher nicht bekannten Gesamtdrehimpuls Je1 = 9/2 des angeregten Zustands. Die Laserspektroskopie in einem äußeren Magnetfeld hat dieses Resultat bestätigt; das Spektrum zeigte, die erwartete Aufspaltung für Os-. Auf Grundlage dieser experimentellen Ergebnisse werden die Anforderungen besprochen, um Laserkühlung an negativem Osmium durchzuführen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kellerbauer, Dr. Priv. Alban
Date of thesis defense: 4 November 2009
Date Deposited: 18 Nov 2009 12:15
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Optische Spektroskopie, Antimaterie, Laserkühlung, Anion, Osmium
Uncontrolled Keywords: Atomic anion , Osmium , Laser spectroscopy , Ion cooling
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