Laser cooling of a metastable argon atomic beam

A production of low velocity and monoenergetic atomic beams would increase the resolution in spectroscopic studies and many other experiments in atomic physics. Laser Cooling uses the radiation pressure to decelerate and cool atoms. The effusing from a glow discharge metastable argon atomic beam is affected by a counterpropagating laser light tuned to the cycling transition in argon. The Zeeman shift caused by a spatially varying magnetic field compensates for the changing Doppler shift that takes the atoms out of resonance as they decelerated. Deceleration and velocity bunching of atoms to a final velocity that depends on the detuning of the laser relative to a frequency of the transition have been observed. Time-of-Flight (TOF) spectroscopy is used to examine the velocity distribution of the cooled atomic beam. These TOF studies of the laser cooled atomic beam demonstrate the utility of laser deceleration for atomic-beam "velocity selection".

Laser cooling and trapping of argon metastable atomic beam

The high velocity of free atoms associated with the thermal motion, together with the velocity distribution of atoms has imposed the ultimate limitation on the precision of ultrahigh resolution spectroscopy. A sample consisting of low velocity atoms would provide a substantial improvement in spectroscopy resolution. To overcome the problem of thermal motion, atomic physicists have pursued two goals; first, the reduction of the thermal motion (cooling); and second, the confinement of the atoms by means of electromagnetic fields (trapping). Cooling carried sufficiently far, eliminates the motional problems, whereas trapping allows for long observation times. In this work the laser cooling and trapping of an argon atomic beam will be discussed. The experiments involve a time-of-flight spectroscopy on metastable argon atoms. Laser deceleration or cooling of atoms is achieved by counter propagating a photon against an atomic beam of metastable atoms. The solution to the Doppler shift problem is achieved using spatially varying magnetic field along the beam path to Zeeman shift the atomic resonance frequency so as to keep the atoms in resonance with a fixed frequency cooling laser. For trapping experiments a Magnetooptical trap (MOT) will be used. The MOT is formed by three pairs of counter-propagating laser beams with mutual opposite circular polarization and a frequency tuned slightly below the center of the atomic resonance and superimposed on a magnetic quadrupole field.

A comparison of bichromatic beam splitters for atoms

We analyse and compare various aspects of the performance of atomic beam splitters fur two- and three-level atoms, both of which use bichromatic optical fields. We calculate the extent to which spontaneous emission degrades the sharpness of the splitting, and how it might degrade the visibility of an idealised atom interferometer which includes either beam splitting mechanism. (C) 1998 Elsevier Science B.V.

Efficiency in the loading of a sodium magneto-optical trap from alkali metal dispensers

We study the loading of sodium atoms into a magneto-optical trap from current-controlled sodium metal dispensers. Contrary to what was previously reported [V. Wippel, C. Binder, W. Huber, L Windholz, M. Allegrini, F. Fuso, E. Arimondo, Eur. Phys. J. D 17 (2001) 2851 we demonstrate a significantly higher number of trapped atoms that make Na dispensers a feasible source of atoms for cold-atom studies. The inherent rise in pressure that naturally arises from metal dispensers as they are heated to release atoms is partially controlled by placing the metal dispensers near the pumping port where an ion pump is connected. We also study the effects of placing the sodium dispensers at different distances from the main vacuum chamber where the atoms are trapped and the effectiveness of using a Zeeman slower to cool the atoms as they emerge from the dispensers. We observe trapping of up to 1.9 x 10(8) atoms, which is significantly higher by almost three orders of magnitude than previously reported experiments. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Magnetic properties of selected 3d- and 4f-systems on alpha-Al 2 O 3 substrates

In this work the growth and the magnetic properties of the transition metals molybdenum, niobium, and iron and of the highly-magnetostrictive C15 Laves phases of the RFe2 compounds (R: Rare earth metals: here Tb, Dy, and Tb{0.3}Dy{0.7} deposited on alpha-Al2O3 (sapphire) substrates are analyzed. Next to (11-20) (a-plane) oriented sapphire substrates mainly (10-10) (m-plane) oriented substrates were used. These show a pronounced facetting after high temperature annealing in air. Atomic force microscopy (AFM) measurements reveal a dependence of the height, width, and angle of the facets with the annealing temperature. The observed deviations of the facet angles with respect to the theoretical values of the sapphire (10-1-2) and (10-11) surfaces are explained by cross section high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) measurements. These show the plain formation of the (10-11) surface while the second, energy reduced (10-1-2) facet has a curved shape given by atomic steps of (10-1-2) layers and is formed completely solely at the facet ridges and valleys. Thin films of Mo and Nb, respectively, deposited by means of molecular beam epitaxy (MBE) reveal a non-twinned, (211)-oriented epitaxial growth as well on non-faceted as on faceted sapphire m-plane, as was shown by X-Ray and TEM evaluations. In the case of faceted sapphire the two bcc crystals overgrow the facets homogeneously. Here, the bcc (111) surface is nearly parallel to the sapphire (10-11) facet and the Mo/Nb (100) surface is nearly parallel to the sapphire (10-1-2) surface. (211)-oriented Nb templates on sapphire m-plane can be used for the non-twinned, (211)-oriented growth of RFe2 films by means of MBE. Again, the quality of the RFe2 films grown on faceted sapphire is almost equal to films on the non-faceted substrate. For comparison thin RFe2 films of the established (110) and (111) orientation were prepared. Magnetic and magnetoelastic measurements performed in a self designed setup reveal a high quality of the samples. No difference between samples with undulated and flat morphology can be observed. In addition to the preparation of covering, undulating thin films on faceted sapphire m-plane nanoscopic structures of Nb and Fe were prepared by shallow incidence MBE. The formation of the nanostructures can be explained by a shadowing of the atomic beam due to the facets in addition to de-wetting effects of the metals on the heated sapphire surface. Accordingly, the nanostructures form at the facet ridges and overgrow them. The morphology of the structures can be varied by deposition conditions as was shown for Fe. The shape of the structures vary from pearl-necklet strung spherical nanodots with a diameter of a few 10 nm to oval nanodots of a few 100 nm length to continuous nanowires. Magnetization measurements reveal uniaxial magnetic anisotropy with the easy axis of magnetization parallel to the facet ridges. The shape of the hysteresis is depending on the morphology of the structures. The magnetization reversal processes of the spherical and oval nanodots were simulated by micromagnetic modelling and can be explained by the formation of magnetic vortices.

Spurenanalyse von Aktiniden in der Umwelt mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

In dieser Arbeit wurde die Methode der resonanten Ionisation von neutralen Atomen mittels Laserstrahlung auf die leichten Aktinide Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium angewendet und für die Ultraspurenanalyse optimiert. Der empfindliche Nachweis dieser Aktinide stellt eine Herausforderung für die Beobachtung und Bestimmung von radioaktiven Verunreinigungen aus kerntechnischen Anlagen in der Umwelt dar. In einem für diese Untersuchungen entwickelten Quadrupolmassenspektrometer konnte durch Resonanzionisationsspektroskopie jeweils eine Reihe unbekannter Energiezustände in der Elektronenhülle des neutralen Atoms der oben genannten Aktinide identifiziert, sowie effiziente Anregungsschemata für die resonante Ionisation entwickelt und charakterisiert werden. Durch die verwendete in-source-Ionisation, die aufgrund der guten Überlagerung von Laserstrahlung und Atomstrahl eine hohe Nachweiseffizienz gewährleistet, konnten diese Untersuchungen bereits mit einem, für Radionuklide notwendigen, geringen Probeneintrag erfolgen. Die resonante Ionisation erlaubt durch die selektiven resonanten Prozesse eine Unterdrückung unerwünschter Kontaminationen und wurde auf den analytischen Nachweis von Ultraspurengehalten in Umweltproben, sowie die Bestimmung der entsprechenden Isotopenzusammensetzung optimiert. Durch die effiziente in-source-Ionisation mit leistungsstarker gepulster Laserstrahlung, konnten Nachweiseffizienzen im Bereich von bis zu 1% erreicht werden. Dabei wurden für Plutonium in synthetischen Proben, aber auch in ersten Umweltproben, Nachweisgrenzen von 10^4-10^5 Atomen erzielt. Die Verwendung spektral schmalbandiger Dauerstrichlaser und eine Ionisation transversal zum frei propagierenden Atomstrahl ermöglicht durch Auflösung der Isotopieverschiebung eine hohe Selektivität gegenüber dominanten Nachbarisotopen, wohingegen die Ionisationseffizienz deutlich abnimmt. Hiermit konnte für das Ultraspurenisotop U-236 eine Nachweisgrenze bis hinab zu 10^-9 für das Isotopenverhältnis N(U-236)/N(U-238) bestimmt werden.

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

Paul–Straubel–Kingdon trap for true zero-point confinement of an individual ion and reservoir

A modification of the Paul–Straubel trap previously described by us may profitably be operated in a Paul–Straubel–Kingdon (PSK) mode during the initial loading of an individual ion into the trap. Thereby the coating of the trap ring electrode by the atomic beam directed upon it in earlier experiments is eliminated, as is the ionization of an already trapped ion. Coating created serious problems as it spot-wise changed the work function of the ring electrode, which caused large, uncontrolled dc fields in the trap center that prevented zero-point confinement. Operating the Paul–Straubel trap with a small negative bias on the ring electrode wire is all that is required to realize the PSK mode. In this mode the tiny ring trap in the center of the long, straight wire section is surrounded by a second trapping well shaped like a long, thin-walled cylindrical shell and extending to the end-caps. There, ions may be conveniently created in this well without danger of coating the ring with barium. In addition, the long second well is useful as a multi-ion reservoir.

Yield of metastable atoms from a rare gas discharge in a longitudinal magnetic field

Atomic beam experiments are limited by intensity. Intensity limitations are specially critical in the measurements of metastable atoms, since their relative population is several order of magnitude smaller than the beam population. This thesis provides a method for increasing the intensity of metastable argon and neon beams effusing from a hot cathode, glow discharge by use of a longitudinal magnetic field. The argon and neon metastable atom intensities have been measured for a range of discharge pressure, voltage, and current for a magnetic field strengths from 0 to 31 mT. For both argon and neon, the metastable atom beam intensity rises to a maximum value about one order of magnitude above the zero field case. A qualitative discussion of the theory of this phenomenon is also presented.

A high-flux BEC source for mobile atom interferometers

Quantum sensors based on coherent matter-waves are precise measurement devices whose ultimate accuracy is achieved with Bose-Einstein condensates (BECs) in extended free fall. This is ideally realized in microgravity environments such as drop towers, ballistic rockets and space platforms. However, the transition from lab-based BEC machines to robust and mobile sources with comparable performance is a challenging endeavor. Here we report on the realization of a miniaturized setup, generating a flux of 4x10(5) quantum degenerate Rb-87 atoms every 1.6 s. Ensembles of 1 x 10(5) atoms can be produced at a 1 Hz rate. This is achieved by loading a cold atomic beam directly into a multi-layer atom chip that is designed for efficient transfer from laser-cooled to magnetically trapped clouds. The attained flux of degenerate atoms is on par with current lab-based BEC experiments while offering significantly higher repetition rates. Additionally, the flux is approaching those of current interferometers employing Raman-type velocity selection of laser-cooled atoms. The compact and robust design allows for mobile operation in a variety of demanding environments and paves the way for transportable high-precision quantum sensors.

Relationship Between Surface Topography and Energy Density Distribution of Er,Cr:YSGG Beam on Irradiated Dentin: An Atomic Force Microscopy Study

Objective: The aim of this study was to assess by atomic force microscopy (AFM) the effect of Er,Cr:YSGG laser application on the surface microtopography of radicular dentin. Background: Lasers have been used for various purposes in dentistry, where they are clinically effective when used in an appropriate manner. The Er, Cr: YSGG laser can be used for caries prevention when settings are below the ablation threshold. Materials and Methods: Four specimens of bovine dentin were irradiated using an Er, Cr:YSGG laser (lambda = 2.78 mu m), at a repetition rate of 20 Hz, with a 750-mu m-diameter sapphire tip and energy density of 2.8 J/cm(2) (12.5 mJ/pulse). After irradiation, surface topography was analyzed by AFM using a Si probe in tapping mode. Quantitative and qualitative information concerning the arithmetic average roughness (Ra) and power spectral density analyses were obtained from central, intermediate, and peripheral areas of laser pulses and compared with data from nonirradiated samples. Results: Dentin Ra for different areas were as follows: central, 261.26 (+/- 21.65) nm; intermediate, 83.48 (+/- 6.34) nm; peripheral, 45.8 (+/- 13.47) nm; and nonirradiated, 35.18 (+/- 2.9) nm. The central region of laser pulses presented higher ablation of intertubular dentin, with about 340-760 nm height, while intermediate, peripheral, and nonirradiated regions presented no difference in height of peritubular and interperitubular dentin. Conclusion: According to these results, we can assume that even when used at a low-energy density parameter, Er, Cr: YSGG laser can significantly alter the microtopography of radicular dentin, which is an important characteristic to be considered when laser is used for clinical applications.

Atomic force microscopy assisted with electron and ion beam microscopy for the direct measurement of biostructures and DNA samples

Dissertation to obtain a Master degree in Biotechnology

Advancing atomic nanolithography: cold atomic Cs beam exposure of alkanethiol self-assembled monolayers

We report the results of a study into the quality of functionalized surfaces for nanolithographic imaging. Self-assembled monolayer (SAM) coverage, subsequent post-etch pattern definition and minimum feature size all depend on the quality of the Au substrate used in atomic nanolithographic experiments. We find sputtered Au substrates yield much smoother surfaces and a higher density of {111} oriented grains than evaporated Au surfaces. A detailed study of the self-assembly mechanism using molecular resolution AFM and STM has shown that the monolayer is composed of domains with sizes typically of 5-25 nm, and multiple molecular domains can exist within one Au grain. Exposure of the SAM to an optically-cooled atomic Cs beam traversing a two-dimensional array of submicron material masks ans also standing wave optical masks allowed determination of the minimum average Cs dose (2 Cs atoms per SAM molecule) and the realization of < 50 nm structures. The SAM monolayer contains many non-uniformities such as pin-holes, domain boundaries and monoatomic depressions which are present in the Au surface prior to SAM adsorption. These imperfections limit the use of alkanethiols as a resist in atomic nanolithography experiments. These studies have allowed us to realize an Atom Pencil suitable for deposition of precision quantities of material at the microand nanoscale to an active surface.