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New approaches for cooling molecular anions to the Kelvin range

Tauch, Jonas

German Title: Neue Ansätze zur Kühlung von molekularen Anionen in den Kelvin-Bereich

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This thesis presents two anion cooling techniques based on their interaction with photons or ultracold atoms, pushing the frontier of anion cooling beyond state-of-the-art experiments. A hybrid atom-ion trap (HAITrap) is presented, combining an octupole radio frequency (rf) trap and a dark spontaneous-force optical trap for rubidium. The anions and atoms are probed via photodetachment tomography, time-of-flight thermometry and saturation absorption imaging, respectively. The anion photodetachment via a focused far-threshold laser beam removes anions selectively by their energy. This thesis reports forced evaporative cooling of OH− via dynamically moving the beam, below 4 Kelvin in 2 seconds. A derived thermodynamic model describes the evolution of anion temperature and number, including the importance of ion-ion thermalization and resulting rf-heating in such traps. It shows experimental and theoretical framework to prepare any anionic specie in a vast energy range. This thesis also reports the sympathetic cooling and the collision dynamics of anions with ultracold rubidium in a HAITrap. The cooling is experimentally demonstrated to 30(2) Kelvin for O− and 135(8) Kelvin for OH−. The different cooling behavior is explained by their dissimilar loss channels, which are identified and quantified. These limitations can be overcome in future experiments, providing a tool to cool anions translationally and internally.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit werden zwei Kühltechniken für Anionen vorgestellt, die auf deren Wechselwirkung mit Photonen oder ultrakalten Atomen beruhen und die Kühlung unter das bisherige Limit ermöglicht. Es wird eine Hybrid-Atom-Ionenfalle (HAITrap) vorgestellt, die eine OktupolRadiofrequenzfall und eine dunkle magneto-optische Falle für Rubidiumatome kombiniert. Die Anionen und Atome werden mittels PhotodetachmentTomographie, Flugzeitthermometrie beziehungsweise Sättigungsabsorptionsabbildung charakterisiert. Durch einen fokussierten Laserstrahl über der Photodetachmentschwelle können Anionen energieabhängig aus der Falle entfernt werden. Diese Arbeit berichtet über erzwungen Verdunstungskühlung von OH− durch Bewegen des Laserstrahls in Richtung der Fallenmitte zu einer Temperatur unter 4 Kelvin in 2 Sekunden. Ein hergeleitetes thermodynamisches Modell beschreibt die Änderung der Anionentemperatur und -zahl. Das Modell hebt die Wichtigkeit der Ionen-Ionen-Thermalisierung und des daraus resultierenden Radiofrequenzheizens in diesen Ionenfallen hervor. Es wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass die Präparation jeglicher Anionen in einem großen Energiebereich möglich ist. Die Arbeit berichtet ebenfalls über sympathetisches Kühlen und Kollisionsdynamiken von Anionen mit ultrakaltem Rubidium in einer HAITrap. Die Kühlung wird experimentell bis 30 Kelvin für O− und 135 Kelvin für OH− demonstriert. Die unterschiedliche Kühldynamik erklärt sich durch unterschiedliche Verlustkanäle, die identifiziert und quantifiziert wurden. Die gezeigte Limitierung sympathetischen Kühlens kann in zukünftigen Experimenten überwunden werden, wodurch Kühlen der Translations- und Rotationsfreiheitsgrade möglich ist.

Document type: Dissertation
Supervisor: Weidemüller, Prof. Dr. Matthias
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 2 June 2021
Date Deposited: 22 Jun 2021 09:20
Date: 2021
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
DDC-classification: 530 Physics
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