04.01.2016
Gegenüber Atomen können schwach gebundene Moleküle eine um Größenordnungen stärkere Abweichung von einer linearen Aufspaltung im Magnetfeld aufweisen. Im Fachbereich 4.3 untersuchen wir bereits seit längerer Zeit die Wechselwirkung ultrakalter Calciumatomen, indem ein Paar freier Atome durch Einstrahlung von Licht in einen gebundenen angeregten Molekülzustand überführt wird.
Mit dieser Methode der Photoassoziationsspektroskopie konnten sehr genaue Wechselwirkungspotentiale bestimmt werden [1]. In Kooperation mit Prof. Tiemann von der Leibniz-Universität Hannover konnten jetzt mit diesen Ergebnissen die Nichtlinearitäten des Zeeman-Effekts in schwachen Magnetfeldern im Bereich von mehreren Millitesla sehr genau beschreiben werden [2]. Calcium ist besonders für diese Untersuchungen geeignet, da die natürliche Linienbreite der verwendeten Übergänge weniger als ein Kilohertz beträgt, so dass die Linien mit sehr hoher Auflösung und Genauigkeit gemessen werden können.
Im Experiment wurden die Calciumatome durch etablierte Laserkühltechniken in mehrstufigen Verfahren zunächst bis auf wenige 10 µK gekühlt, im Kreuzungsbereich zweier intensiver Laserstrahlen - einer sog. optischen Dipolfalle – gefangen und mittels Verdampfungskühlung bis auf ca. 1 µK weiter abgekühlt. Die gefangenen Atome wurden mit Laserlicht der Wellenlänge 657 nm in Anwesenheit eines schwachen Magnetfelds bestrahlt. Bei der resonanten Wellenlänge wird aus zwei Calciumatomen ein schwach gebundenes Molekül in einem angeregten Zustand erzeugt, welches anschließend nach kurzer Zeit wieder zerfällt. Durch den Zerfall wird genügend Energie frei, so dass die Zerfallsprodukte die Dipolfalle verlassen. Aus den aufgenommen Verlustspektren wurde die Lage mehrerer gebundener Niveaus für unterschiedliche magnetische Quantenzahlen ermittelt (Abb. 1).
Aus den Linienpositionen wurden genaue Wechselwirkungspotentiale berechnet, mit denen dann eine signifikante Verschiebung des in erster Näherung im Magnetfeld-unempfindlichen m=0 Zustandes durch den nichtlinearen Zeeman-Effekt vorhergesagt wurde (Abb. 2). Durch die theoretische Modellierung konnten die skalaren und tensoriellen Suszeptibilitäten für die angeregten Molekülzustände bestimmen werden. Diese Ergebnisse wurden anschließend zur Korrektur der Bindungsenergien der angeregten Zustände und für die verbesserte Modellierung der c3Πu (0+) und a3Σu+(1u) Potentiale genutzt.
Literatur:
[1] M. Kahmann, E. Tiemann, O. Appel, U. Sterr and F. Riehle, “Photoassociation spectroscopy of 40Ca measured with kilohertz accuracy near the 3P1+1S0 asymptote and its Zeeman effect“, Phys. Rev. A 89, 023413 (2014)
[2] E. Tiemann, M. Kahmann, E. Pachomow, U. Sterr, and F. Riehle, “Nonlinear Zeeman effect in photoassociation spectra of 40Ca near the 3P1 + 1S0 asymptote”, Phys. Rev. A 92, 023419 (2015)
Abb. 1:
Zeeman-Aufspaltung der drei am schwächsten gebundenen Vibrationszustände v‘= -1,-2,-3 des Ca2 Moleküls im c3Πu (0+) Potential bei einem Magnetfeld von B = 0.285 mT
Abb. 2:
Berechnete Lage der Vibrationsniveaus als Funktion des Magnetfeldes (grünen Linien) der m = -1,0,1 Komponenten des schwach gebundenen Vibrationszustands sv‘ = -1 im a3Σu+ (1u) Potential. Die Vergrößerung zeigt die Verschiebung der m = 0 Komponente für schwache Magnetfelder. Bei 0.285 mT beträgt diese Verschiebung etwa 17 kHz.