Quantum Technology using Cold Diatomic Molecular Ions: Interferometry and Cooling

Berglund, Jan Martin

dc.date.accessioned	2023-10-02T08:15:19Z
dc.date.available	2023-10-02T08:15:19Z
dc.date.issued	2023
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202308088587
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/15094
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2023	ger
dc.language.iso	eng
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/	*
dc.subject	cold diatomic molecular ions	eng
dc.subject	rotational dynamics	eng
dc.subject	interferometry	eng
dc.subject	sympathetic cooling	eng
dc.subject	quantum technology	eng
dc.subject.ddc	500
dc.subject.ddc	510
dc.title	Quantum Technology using Cold Diatomic Molecular Ions: Interferometry and Cooling	eng
dc.type	Buch
dcterms.abstract	Atoms and atomic ions have proved to be useful as quantum technological systems, where atomic clocks are one of the more famous implementations. Molecules, with more degrees of freedom (vibrations and rotations) are considered as natural extensions to atomic systems. In particular, we study cold molecular diatomic ions as systems for implementation in quantum technology and in particular the rotational degree of freedom of such molecular ions. Quantum effects manifest themselves at very cold temperatures. To reach such low temperatures, Doppler cooling via resonant coupling to external laser fields can be used for atoms and atomic ions. Molecules are in general more difficult to cool down due to their more complex internal structure and generally require other cooling methods. One such strategy uses pre cooled atomic ions as coolants for the molecular ions, mediated via repeated collisions between the two ionic species. This method, known as sympathetic cooling, is independent on the internal structure of the molecular ions. It may however, lead to unwanted excitations of the internal degrees of freedom of the molecular ions, and in particular rotational excitations are to be expected. We investigate the rotational population excitation in a cooling process and its relation to the molecular parameters such as the rotational constant and the relevant molecular coupling constants. Based on the separate energy scales of the associated with the translational and rotational degrees of freedom we propose a model that separates the translational energy transfer and the rotational transfer. Polar molecular ions, which possess a permanent dipole moment interact linearly with the field originating from the coolant ion, and due to the gradual change of the field the interaction tends to lead to high field, but near adiabatic dynamics of the rotational states. Apolar molecular ions, on the other hand, lack a permanent dipole moment, due to symmetry, and interact via higher order moments and they therefore couple weakly to the field and the rotational dynamics can be studied using perturbation theory. In addition, we propose to use sympathetically cooled MgH+-ions, forming a Coulomb crystal in a linear Paul trap, to implement a Ramsey-like interferometric setup which can be utilized for sensitive measurments of molecular parameters, such as the polarizability anisotropy. Two time delayed femtosecond laser pulses are used to excite rotational population of the ion. The delay dependent final rotational population defines the interferogram. The ionic spacing in the crystal is typically of the order of μm and allows for single ion addressability and long storage times (up to hours) in a typical experimental setup. Our simulations indicate that the interferometer can be used to measure the average polarizability of the molecular ion to within errors of the errors of the population measurement.	eng
dcterms.abstract	Atome und Atomionen als quantentechnologische Systeme haben sich als nützlich erwiesen. Atomuhren sind eine der bekanntesten Anwendungen. Moleküle mit mehr Freiheitsgraden (Schwingungen und Rotationen) gelten als natürliche Erweiterungen atomarer Systeme. In meiner Doktorarbeit untersuchen wir kalte molekulare zweiatomige Ionen als Systeme zur Implementierung in der Quantentechnologie, insbesondere den Rotationsfreiheitsgrad solcher molekularer Ionen. Quanteneffekte manifestieren sich bei sehr kalten Temperaturen. Um solch niedrige Temperaturen zu erreichen, kann die Doppler-Kühlung durch Resonanzkopplung an externe Laserfelder für Atome und Atomionen verwendet werden. Moleküle sind im Allgemeinen aufgrund ihrer komplexeren inneren Struktur schwieriger abzukühlen und erfordern deswegen andere Kühlmethoden. Eine solche Strategie ist die Verwendung vorgekühlte Atomionen, die die Molekühlionen mittels wiederholter Kollisionen abkühlen. Diese, als sympathetische Kühlung bekannte Methode, ist unabhängig von der inneren Struktur der Molekülionen. Es kann jedoch zu unerwüschten Anregungen der inneren Freiheitsgrade der Moleküionen kommen, insbesondere sind Rotationsanregungen zu erwarten. Wir untersuchen die Anregung der Rotationspopulation in einem Abkühlungsprozess und ihre Beziehung zu den molekularen Parametern wie der Rotationskonstante und den relevanten molekularen Kopplungskonstanten. Basierend auf den getrennten Energieskalen, die mit den Translationsund Rotationsfreiheitsgraden verbundenen sind, schlagen wir ein Modell vor, das den translatorischen Energietransfer und den Rotationstransfer trennt. Polare Molekülionen, die ein permanentes Dipolmoment besitzen, interagieren linear mit dem Feld des vorgekühlten Atomions, der tendenziell zu einem hochen Wechselwirkung führt. Aufgrund der allmählichen Änderung des Feldes, entsteht allerdings einer fast adiabatischen Dynamik der Rotationszustände. Apolare Molekülionen hingegen haben aufgrund ihrer Symmetrie kein permanentes Dipolmoment und interagieren über Momente höherer Ordnung. Sie koppeln daher schwach an das Feld und die Rotationsdynamik kann mithilfe der Störungstheorie untersucht werden. Zusätzlich schlagen wir vor, sympathetisch gekühlte MgH+-Ionen zu verwenden, die einen Coulomb-Kristall in einer linearen Paul-Falle bilden, um einen Ramsey-ähnlichen interferometrischen Aufbau zu implementieren, der angewennt werden kann um molekulare Parametern sensitiv zu Messen, z.B. die Polarizationsanisotropie. Zwei zeitverzögerte Femtosekundenlaserpulse werden verwendet, um die Rotationspopulation des Ions anzuregen. Die verzögerungsabhängige endgültige Rotationspopulation definiert das Interferogramm. Der Ionenabstand im Kristall liegt typischerweise in der Größenordnung von μm und ermöglicht die Adressierbarkeit einzelner Ionen und lange Lagerzeiten (bis zu Stunden) in einem typischen Versuchsaufbau. Meine Simulationen zeigen, dass das Interferometer verwendet werden kann, um die durchschnittliche Polarisierbarkeit des Molekülions innerhalb von Fehlern der Fehler der Populationsmessung zu messen.	ger
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Berglund, Jan Martin
dcterms.extent	VI, 162 Seiten
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-1137-4
dc.subject.swd	Molekülion	ger
dc.subject.swd	Quantentechnologie	ger
dc.subject.swd	Interferometrie	ger
dc.subject.swd	Kühlung	ger
dc.type.version	publishedVersion
kup.iskup	true
kup.price	39,00
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A4
ubks.epflicht	true