Messung des Landé-gJ-Faktors im Grundzustand von Ca + und Untersuchung des Speicherverhaltens von Elektronen in einem Penningkäfig

Ionenkäfige und speziell Penningfallen stellen sich in der Atomphysik als außergewöhnliche Werkzeuge heraus. Zum einen bieten diese 'Teilchencontainer' die Möglichkeit atomphysikalische Präzisionsmessungen durchzuführen und zum anderen stellen Penningfallen schwingungsfähige Systeme dar, in welchen nichtlineare dynamische Prozesse an gespeicherten Teilchen untersucht werden können. In einem ersten Teil der Arbeit wurde mit der in der Atomphysik bekannten Methode der optischen Mikrowellen-Doppelresonanz Spektroskopie der elektronische g-Faktor von Ca+ mit einer Genauigkeit von 4*10^{-8} zu gJ=2,00225664(9) bestimmt. g-Faktoren von Elektronen in gebundenen ionischen Systemen sind fundamentale Größen der Atomphysik, die Informationen über die atomare Wellenfunktion des zu untersuchenden Zustandes liefern. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde hinsichtlich der Untersuchungen zur nichtlinearen Dynamik von parametrisch angeregten gespeicherten Elektronen beobachtet, dass ab bestimmten kritischen Teilchendichten in der Penningfalle die gespeicherten Elektronen kollektive Eigenschaften manifestieren. Weiterhin wurde bei der Anregung der axialen Eigenbewegung ein Schwellenverhalten der gemessenen Subharmonischen zur 2*omega_z-Resonanz beobachtet. Dieser Schwelleneffekt lässt sich mit der Existenz eines Dämpfungsmechanismus erklären, der auf die Elektronenwolke einwirkt, so dass eine Mindestamplitude der Anregung erforderlich ist, um diese Dämpfung zu überwinden. Durch Bestimmung der charakteristischen Kurven der gedämpften Mathieuschen Differentialgleichung konnte das beobachtete Phänomen theoretisch verstanden werden.

Direct observation of a single proton in a Penning trap

In der vorgelegten Doktorarbeit werden Experimente vorgestellt, die an einem einzelnen Proton in einer Penningfalle durchgeführt worden sind. Die Eigenbewegung eines isoliert gespeicherten, freien Protons konnte elektronisch durch Kopplung an einen Resonanzschwingkreis nachgewiesen werden. Dies stellt eine nicht-destruktive Messung dar, d. h. das Teilchen geht während der Messung nicht verloren. Die freie Zyklotronfrequenz, die aus den drei gemessenen Eigenfrequenzen hervorgeht, ist eine von zwei zur Bestimmung des magnetischen Moments notwendigen Frequenzen. So wird im Gegensatz zu den existierenden Arbeiten eine direkte Bestimmung des g-Faktors ermöglicht. Planung, Entwicklung und Inbetriebnahme des experimentellen Aufbaus wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt, womit eine Messgenauigkeit von 10-7 erreicht wurde. Die dabei zu bewältigenden technischen Herausforderungen zur Bestimmung der zweiten Frequenz (der Larmorfrequenz) ergeben sich aus der Kleinheit des magnetischen Moments. Bei dem für diese Messung benötigten Spinzustand des Teilchens handelt es sich um einen internen Freiheitsgrad, der nur über eine Kopplung des magnetischen Moments an die Eigenbewegung bestimmt werden kann. Eine neuartige, hybride Penningfalle wird in dieser Arbeit vorgestellt, die als Quantensprung-Spektrometer die Spininformation auf die Eigenbewegung abbildet. Damit liegt der aus der magnetischen Kopplung resultierende Frequenzunterschied in den beiden Spinzuständen erstmalig in einem elektronisch detektierbaren Bereich.

Gespeicherte Ionen in der Paulfalle: Voruntersuchungen zur Lebensdauermessung des metastabilen 6D-3/2-Zustands des 226 Ra +, Speichereigenschaften von 138 Ba + und 28 N 2 + bei Variation des Puffergasdrucks

Auf Paulfallen basierende Experimente spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Physik, z.B. der Atomphysik zum Test theoretischer Modelle und der Massenspektroskopie. Die vorliegende Arbeit widmet sich beiden Themengebieten und gliedert sich entsprechend in zwei Teilbereiche: 1) Erdalkali-Ionen sind aufgrund ihrer Energieniveaus optimale Kandidaten für Laserspektroskopie-Experimente mit Ionenfallen und bestens geeignet, um mittels der spektroskopischen Daten die theoretischen Modelle zu testen. Lediglich für Ra+ fehlen bislang als einzigem Erdalkali-Ion diese Daten wie z.B. die Lebensdauern der metastabilen Niveaus. Diese wären auch von Interesse für bereits geplante Radium-Experimente zur Paritätsverletzung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Aufbau eines Laser-Paulfallenexperiments zur Messung der Lebensdauer des 6D3/2 Zustands von 226Ra+ dokumentiert und es werden Testmessungen mit 138Ba+ vorgestellt. 2) Für die Verwendung der Paulfalle in der Massenspektroskopie und zur Analyse von Reaktionsprodukten ist die Kenntnis der Lage der im Speicherbereich auftretenden nichtlinearen Resonanzen wesentlich, ebenso wie deren Veränderung durch Dämpfung und Raumladung. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen der Speicherung großer puffergasgekühlter Ionenwolken an zwei unterschiedlichen Paulfallen-Experimenten vorgestellt. Am ersten wurden 138Ba+-Ionenwolken kontinuierlich durch Laserspektroskopie bzw. über einen elektronischen Nachweis beobachtet, während das zweite N2+-Molekülionen automatisiert destruktiv nachwies. Am N2+-Experiment wurden zwei hochaufgelöste Messungen des ersten Speicherbereichs durchgeführt, die erstmals eine direkte Überprüfung der theoretisch berechneten Verläufe der Resonanzen mit experimentellen Daten erlauben. Die Nachweiseichung ermöglichte dabei zum ersten Mal die Angabe absoluter Ionenzahlen. Im Gegensatz zu vergleichbaren früheren Messungen wurden hierbei die sich überlagernden Speicherbereiche von 4 simultan gespeicherten Ionensorten beobachtet und zur Analyse der Resonanzen herangezogen. Die nichtlinearen Resonanzen wurden untersucht bei Variation von Puffergasdruck und Ionenzahl, wobei kollektive Resonanzen ohne zusätzliche externe Anregung beobachtet wurden. Die gemessenen Raumladungsverschiebungen wurden mit theoretischen Modellen verglichen. Bei Variation des Puffergasdrucks wurde mit Bariumionen die räumliche Ausdehnung der Ionenwolke gemessen und mit Stickstoffionen die Verschiebung des Punktes optimaler Speicherung bestimmt. Dabei wurde festgestellt, daß der zum Ioneneinfang optimale Puffergasdruck kleiner ist als der, bei dem die längsten Speicherdauern erzielt werden. Mit gespeicherten N2+-Ionen wurde die Position extern angeregter kollektiver und individueller Resonanzen im Frequenzspektrum bei Änderung der Parameter Ionenzahl, Puffergasdruck und Dauer der Anregung untersucht, ebenso wie die Resonanzform, die mit theoretischen Linienformen verglichen wurde. Bei Änderung der Fallenparameter wurden verstärkende Effekte zwischen nahen kollektiven Resonanzen festgestellt. Die Beobachtung, welche der im Frequenzspektrum vorher identifizierten Bewegungs-Resonanzen sich bei Variation der Fallenparameter a bzw. q überlagern, ermöglicht eine bislang nicht beschriebene einfache Methode der Bestimmung von nichtlinearen Resonanzen im Stabilitätsdiagramm.

Der g-Faktor des Protons

In dieser Arbeit wird die bisher präziseste und erste direkte Hochpräzisionsmessung des g-Faktors eines einzelnen Protons präsentiert. Die Messung beruht auf der nicht-destruktiven Bestimmung der Zyklotronfrequenz und der Larmorfrequenz eines in einer Penning-Falle gespeicherten Protons. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz wird die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion einer externen Spin-Flip-Anregung aufgenommen. Zu diesem Zweck wird der kontinuierliche Stern-Gerlach Effekt verwendet, welcher zu einer Kopplung des Spin-Moments an die axiale Bewegung des Protons führt. Ein Spin-Flip zeigt sich dabei in einem Sprung der axialen Bewegungsfrequenz. Die Schwierigkeit besteht darin, diesen Frequenzsprung auf einem Hintergrund axialer Frequenzfluktuationen zu detektieren. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden neuartige Methoden und Techniken angewandt. Zum einen wurden supraleitende Nachweise mit höchster Empfindlichkeit entwickelt, welche schnelle und damit präzise Frequenzmessungen erlauben. Zum anderen wurde eine auf dem statistischen Bayes Theorem basierende Spin-Flip-Analyse-Methode angewandt. Mit diesen Verbesserungen war es möglich, einzelne Spin-Flips eines einzelnen Protons zu beobachten. Dies wiederum ermöglichte die Anwendung der sogenannten Doppelfallen-Methode, und damit die eingangs erwähnte Messung des g-Faktors mit einer Präzision von 4.3 10^-9.

Hohlraum Target for Overcoming Refractive Losses in Plasma X-ray Lasers

Refractive losses in laser-produced plasmas used as gain media are caused by electron density gradients, and limit the energy transport range. The pump pulse is thus deflected from the high-gain region and the short wavelength laser signal also steers away, causing loss of collimation. A Hohlraum used as a target makes the plasma homogeneous and can mitigate refractive losses by means of wave-guiding. A computational study combining a hydrodynamics code and an atomic physics code is presented, which includes a ray-tracing modeling based on the eikonal theory of the trajectory equation. This study presents gain calculations based on population inversion produced by free-electron collisions exciting bound electrons into metastable levels in the 3d94d1(J = 0) → 3d94p1(J = 1) transition of Ni-like Sn. Further, the Hohlraum suggests a dramatic enhancement of the conversion efficiency of collisionally excited x-ray lasing for Ni-like Sn.

A moiré deflectometer for antimatter

The precise measurement of forces is one way to obtain deep insight into the fundamental interactions present in nature. In the context of neutral antimatter, the gravitational interaction is of high interest, potentially revealing new forces that violate the weak equivalence principle. Here we report on a successful extension of a tool from atom optics—the moiré deflectometer—for a measurement of the acceleration of slow antiprotons. The setup consists of two identical transmission gratings and a spatially resolving emulsion detector for antiproton annihilations. Absolute referencing of the observed antimatter pattern with a photon pattern experiencing no deflection allows the direct inference of forces present. The concept is also straightforwardly applicable to antihydrogen measurements as pursued by the AEgIS collaboration. The combination of these very different techniques from high energy and atomic physics opens a very promising route to the direct detection of the gravitational acceleration of neutral antimatter.

Radiative properties for warm and hot dense matter

We will present calculations of opacities for matter under LTE conditions. Opacities are needed in radiation transport codes to study processes like Inertial Confinement Fusion and plasma amplifiers in X-ray secondary sources. For the calculations we use the code BiGBART, with either a hydrogenic approximation with j-splitting or self-consistent data generated with the atomic physics code FAC. We calculate the atomic structure, oscillator strengths, radiative transition energies, including UTA computations, and photoionization cross-sections. A DCA model determines the configurations considered in the computation of the opacities. The opacities obtained with these two models are compared with experimental measurements.

Modelling of spectral properties and population kinetics studies of inertial fusión and laboratory astrophysical plasmas

Fundamental research and modelling in plasma atomic physics continue to be essential for providing basic understanding of many different topics relevant to high-energy-density plasmas. The Atomic Physics Group at the Institute of Nuclear Fusion has accumulated experience over the years in developing a collection of computational models and tools for determining the atomic energy structure, ionization balance and radiative properties of, mainly, inertial fusion and laser-produced plasmas in a variety of conditions. In this work, we discuss some of the latest advances and results of our research, with emphasis on inertial fusion and laboratory-astrophysical applications.

Coronal fluid-dynamics in laser fusion

The fluid-dynamics of the corona ejected by laser-fusion targets in the direct-drive approach (thermal radiation and atomic physics unimportant) is discussed. A two-fluid model involves inverse bremsstrahlung absorption, refraction, different ion and electron temperatures with energy exchange, different ion and electron velocities and magnetic field generation, and their effect on ion-electron friction and heat flux. Four dimensionless parameters determine coronal regimes for one-dimensional flows under uniform irradiation. One additional parameter is involved in two-dimensional problems,including the stability of one-dimensional flows, and the smoothing of nonuniform driving.

Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers

The techniques of optical trapping and manipulation of neutral particles by lasers provide unique means to control the dynamics of small particles. These new experimental methods have played a revolutionary role in areas of the physical and biological sciences. This paper reviews the early developments in the field leading to the demonstration of cooling and trapping of neutral atoms in atomic physics and to the first use of optical tweezers traps in biology. Some further major achievements of these rapidly developing methods also are considered.

Collective effects in light scattering from cold strontium clouds

A cold atomic cloud is a versatile object, because it offers many handles to control and tune its properties. This facilitates studies of its behavior in various circumstances, such as sample temperature, size and density, composition, dimensionality and coherence time. The range of possible experiments is constrained by the specifications of the atomic species used. In this thesis presents the work done in the experiment for laser cooling of strontium atoms, focusing on its stability, which should provide cold and ultracold samples for the study of collective effects in light scattering. From the initial apparatus, innumerous changes were performed. The vacuum system got improved and now reached lower ultra high vacuum due to the pre-baking done to its parts and adding a titanium-sublimation stage. The quadrupole trap were improved by the design and construction of a new pair of coils. The stability of the blue, green and red laser systems and the loss prevention of laser light were improved, giving rise to a robust apparatus. Another important point is the development of homemade devices to reduce the costs and to be used as a monitor of different parts of an cold atoms experiment. From this homemade devices, we could demonstrate a dramatic linewidth narrowing by injection lock of an low cost 461 nm diode laser and its application to our strontium experiment. In the end, this improved experimental apparatus made possible the study of a new scattering effect, the mirror assisted coherent back-scattering (mCBS).

Wave optics and atomics.

Physical optics.--Physical electronics.--Atomic physics.--Nuclear physics.

Optical Control of Magnetic Feshbach Resonances by Closed-Channel Electromagnetically Induced Transparency

Optical control of interactions in ultracold gases opens new fields of research by creating ``designer" interactions with high spatial and temporal resolution. However, previous optical methods using single optical fields generally suffer from atom loss due to spontaneous scattering. This thesis reports new optical methods, employing two optical fields to control interactions in ultracold gases, while suppressing spontaneous scattering by quantum interference. In this dissertation, I will discuss the experimental demonstration of two optical field methods to control narrow and broad magnetic Feshbach resonances in an ultracold gas of $^6$Li atoms. The narrow Feshbach resonance is shifted by $30$ times its width and atom loss suppressed by destructive quantum interference. Near the broad Feshbach resonance, the spontaneous lifetime of the atoms is increased from $0.5$ ms for single field methods to $400$ ms using our two optical field method. Furthermore, I report on a new theoretical model, the continuum-dressed state model, that calculates the optically induced scattering phase shift for both the broad and narrow Feshbach resonances by treating them in a unified manner. The continuum-dressed state model fits the experimental data both in shape and magnitude using only one free parameter. Using the continuum-dressed state model, I illustrate the advantages of our two optical field method over single-field optical methods.

Nonlinear optics with cold Rb atoms using tapered optical nanofibres

Optical nanofibres (ONFs) are very thin optical waveguides with sub-wavelength diameters. ONFs have very high evanescent fields and the guided light is confined strongly in the transverse direction. These fibres can be used to achieve strong light-matter interactions. Atoms around the waist of an ONF can be probed by collecting the atomic fluorescence coupling or by measuring the transmission (or the polarisation) of the probe beam sent through it. This thesis presents experiments using ONFs for probing and manipulating laser-cooled 87Rb atoms. As an initial experiment, a single mode ONF was integrated into a magneto-optical trap (MOT) and used for measuring the characteristics of the MOT, such as the loading time and the average temperature of the atom cloud. The effect of a near-resonant probe beam on the local temperature of the cold atoms has been studied. Next, the ONF was used for manipulating the atoms in the evanescent fields region in order to generate nonlinear optical effects. Four-wave mixing, ac Stark effect (Autler-Townes splitting) and electromagnetically induced transparency have been observed at unprecedented ultralow power levels. In another experiment, a few-mode ONF, supporting only the fundamental mode and the first higher order mode group, has been used for studying cold atoms. A higher pumping rate of the atomic fluorescence into the higher order fibreguided modes and more interactions with the surrounding atoms for higher order mode evanescent light, when compared to signals for the fundamental mode, have been identified. The results obtained in the thesis are particularly for a fundamental understanding of light-atom interactions when atoms are near a dielectric surface and also for the development of fibre-based quantum information technologies. Atoms coupled to ONFs could be used for preparing intrinsically fibre-coupled quantum nodes for quantum computing and the studies presented here are significant for a detailed understanding of such a system.

Extreme-Ultraviolet-Initated High-Order Harmonic Generation: Driving Inner-Valence Electrons Using Below-Threshold-Energy Extreme-Ultraviolet Light

We propose a novel scheme for resolving the contribution of inner- and outer-valence electrons in XUV-initiated high-harmonic generation in neon. By probing the atom with a low energy (below the 2s ionisation threshold) ultrashort XUV pulse, the 2p electron is steered away from the core, while the 2s electron is enabled to describe recollision trajectories. By selectively suppressing the 2p recollision trajectories we can resolve the contribution of the 2s electron to the high-harmonic spectrum. We apply the classical trajectory model to account for the contribution of the 2s electron, which allows for an intuitive understanding of the process.