Observation of Feshbach resonances in an ultracold gas of 52Cr

Abstract

The first realization of Bose-Einstein condensation (BEC) in dilute atomic gases in the year 1995 has pioneered the exploration of an exciting new form of matter: the macroscopic quantum state. In many of the more recent experiments the interatomic interaction is responsible for the astonishing variety of observed phenomena. The exact knowledge of the interaction potentials between two atoms is one of the prerequisites for these kind of experiments. A very precise method for determining the interaction potentials exploits the existence of magnetically induced Feshbach resonances. For certain values of the applied external magnetic field the interaction can be arbitrarily tuned. From the positions of these Feshbach resonances one can deduce many details of the acting interaction potentials.

The topic of this thesis is the first observation of fourteen magnetically induced Feshbach resonances in collisions between optically trapped ultracold chromium atoms. The search for Feshbach resonances was performed for magnetic fields between 4 and 600 G. A calibration of the magnetic field was done for each observed resonance slightly above and below the resonance using rf-spectroscopy. This allowed us to determine the positions of the resonances with an accuracy of below 100 mG.

Up to now, not much was known about the interaction potentials between two chromium atoms. Due to a close collaboration with Andrea Simoni and Eite Tiesinga of the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, USA we succeeded in identifying thirteen of the fourteen experimentally observed resonances and to assign the relevant quantum numbers. The eleven strongest Feshbach resonances build a complete set of all possible resonances up to second-order in the magnetic dipole-dipole coupling for the deca-triplett s-wave entrance channel. The two remaining identified resonances are resonances with a d-wave entrance channel and are thus much weaker. From the experimental resonance positions and knowing the corresponding quantum numbers allowed us to calculate a set of parameters describing the Born-Oppenheimer potentials with unprecedent precision. The average difference between theoretical and experimental resonance positions is only 0.6 G. Neglecting the spin-spin dipole interaction in our calculations leads to an average deviation of about 10 G. This is a clear sign, that the dipole-dipole interaction plays an important role in collisions between ultracold chromium atoms.

The precise knowledge of the molecular potentials opens up new vistas. Based on the measured molecular potentials we can predict the collisional properties in other entrance channels and even for other chromium isotopes. Maybe these new results will lead to a better understanding of the bonding mechanisms of the chromium dimer, which is not yet fully understood in detail.

Concerning further experiments with ultracold chromium atoms, the possibility to vary the interaction strength by using a Feshbach resonance is of interest. This will allow to change the strength of the isotropic contact interaction in relation to the anisotropic dipole-dipole interaction. The observed Feshbach resonances can even be used to create ultracold molecules.

Die erstmalige Realisierung eines Bose-Einstein-Kondensats in verdünnten atomaren Gasen im Jahr 1995 hat eine faszinierende Forschungsrichtung eröffnet: das Studium makroskopischer Quantenzustände als eine neue Form der Materie. In den neuesten Experimenten spielt die interatomare Wechselwirkung eine entscheidende Rolle für die große Vielfalt der beobachteten Phänomene. Die exakte Kenntnis der Wechselwirkungs-Potenziale zwischen zwei Atomen ist eine der Grundvoraussetzungen für diese Experimente. Eine sehr präzise Methode zur Vermessung der Wechselwirkungs-Potenziale nutzt die Existenz von magnetisch induzierten Streu-Resonanzen sog. Feshbach-Resonanzen aus. Durch ein extern angelegtes Magnetfeld lässt sich in der Nähe dieser Streuresonanzen die Wechselwirkung zwischen zwei Atomen beliebig variieren. Dieser Effekt ist experimentell messbar. Aus den Positionen der Feshbach-Resonanzen lassen sich weitreichende Rückschlüsse über die Wechselwirkungs-Potenziale ziehen.

Thema der vorliegenden Arbeit ist die erstmalige Beobachtung von vierzehn magnetisch-induzierten Feshbach-Resonanzen bei Stößen zwischen optisch gespeicherten ultrakalten Chrom-Atomen. Untersucht wurde dabei der Magnetfeldbereich zwischen 4 und 600 G. Die Variation der Streulänge nahe einer Feshbach-Resonanz wurde anhand der Teilchenverluste aufgrund der resonant überhöhten inelastischen Stoßprozesse beobachtet. Die Kalibration der Magnetfelder erfolgte mittels Mikrowellenspektroskopie und erlaubte eine absolute Genauigkeit von unter 100 mG.

Vor dieser Arbeit war nur wenig über das Wechselwirkungs-Potenzial zwischen zwei Chrom-Atomen bekannt. In Zusammenarbeit mit Dr. Andrea Simoni und Dr. Eite Tiesinga vom National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg, USA gelang es uns, dreizehn der vierzehn experimentell beobachteten Resonanzen zu identifizieren und die entsprechenden Quantenzahlen zuzuordnen. Die elf stärksten Feshbach-Resonanzen bilden einen kompletten Satz von Resonanzen. Diese entstehen aufgrund der Kopplung des s-Wellen Eingangskanals an die gebundenen Molekülzustände. Für die Kopplung ist die starke Dipol-Dipol-Wechselwirkung bei Chrom verantwortlich, welche bis zur zweiten Ordnung berücksichtigt werden muss, um die elf stärksten Resonanzen zu erklären. Weitere zwei Resonanzen konnten der Ankopplung des d-Wellen-Eingangskanals an die gebundenen Zustände zugeordnet werden. Mit Hilfe der experimentellen Resonanz-Positionen und der Kenntnis der zugehörigen Quantenzahlen gelang es erstmalig, einen Parametersatz für die Born-Oppenheimer Potenziale mit hoher Genauigkeit anzugeben. Die Abweichungen zwischen den mit diesem Parametersatz theoretisch vorhergesagten und experimentell beobachteten Positionen liegen im Mittel bei 10 G. Bei Berücksichtigung der Dipol-Dipol-Wechselwirkung in der Theorie beträgt die mittlere Abweichung unter 0,6 G. Dies zeigt, dass die Dipol-Dipol-Wechselwirkung für Stöße zwischen ultrakalten Chromatomen eine entscheidende Rolle spielt.

Die genaue Kenntnis der Molekülpotenziale eröffnet viele neue Perspektiven. Auf Basis der Molekülpotenziale lassen sich präzise Aussagen über die Kollisionseigenschaften in anderen Eingangskanälen und weiterer Chrom-Isotope treffen. Möglicherweise führen diese neuen Ergebnisse auch zu einem besseren Verständnis der Bindungsmechanismen des Chrom-2-Moleküls, welche noch nicht im Detail verstanden sind.

Für weitere Experimente mit ultrakalten Chromatomen ist vor allem die Variation der Wechselwirkungsstärke nahe bei einer Feshbach-Resonanz von Interesse. Dies erlaubt es, das Verhältnis zwischen der anisotropen Dipol-Dipol-Wechselwirkung und der isotropen Kontaktwechselwirkung beliebig einzustellen. Auch können die gefundenen Feshbach-Resonanzen ausgenutzt werden, um ultrakalte Moleküle zu erzeugen.