Ultracold Atom-Ion Systems in Hybrid Traps

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der theoretischen Beschreibung eines Hybridsystems eines ultrakalten neutralen Atoms und eines einzelnen Ions. Diese Hybrid-Atom-Ion-Systeme verbinden die wichtigsten Vorteile von ultrakalten neutralen Atomen und Ionen. Neutrale Atome sind leicht skalierbar vor allem und können in großen Stückzahlen vorbereitet werden, wahrend gefangene Ionen über längere Zeiten gelagert werden können und leicht kontrollierbar sind. Einige der vorgeschlagenen Aussichten der hybriden Quantensysteme umfassen die sympathische Kühlung von eingefangenen Ionen, die ultrakalte Chemie, das Quantum Informationsverarbeitung, und Atom-Ionen-Quantensimulatoren. Diese Anwendungen erfordern eine äußerst präzise Steuerung und damit eine sehr genaue theoretische Modellierung. Eine neue Methode, die eine vollständige sechsdimensionale Behandlung von zwei Partikeln ermöglicht In räumlich getrennten dreidimensionalen Fangpotentialen wurde entwickelt. Indem man die raumliche Verschiebung zwischen den Einfangpotentialen erlaubt, ist es möglich, die gesteuerte Bewegung eines einzelnen Ions durch ein optisches Gitterpotential zu beschreiben, das mit neutralen Atomen gefüllt ist. Die Wechselwirkung zwischen dem neutralen Atom und dem geladenen Ion wird durch eine realistische Born-Oppenheimer Potentialkurve beschrieben. Eines der hier diskutierten Hybridsysteme ist 7Li2+ Isotop, das mit der neu entwickelten Methode untersucht wird, dabei wurden vermiedene Kreuzungen im Energiespektrum zwischen molekularen Zuständen und den Schwingungszuständen des Fallenpotentials als Funktion des Abstandes zwischen den beide Fallen beobachtet. Diese vermiedenen Kreuzungen bestatigen die bereits vorhergesagten falleninduzierten Resonanzen, die mithilfe der Quantendefekttheorie bestimmt wurden. Ebenfalls werden die erst kürzlich entdeckten inelastischen falleninduzierten Resonanzen in ultrakalten Atomen auch in den Atom-Ion Systemen beobachtet.

This thesis deals with the theoretical description of a hybrid system of an ultracold neutral atom and a single ion. These hybrid atom-ion systems combine the key advantages of ultracold neutral atoms and ions. In particular, neutral atoms are easily scalable and can be prepared in large numbers, while trapped ions can be stored for much longer times and are easy to control. Some of the proposed prospects of the hybrid quantum systems include sympathetic cooling of trapped ions, ultracold chemistry, quantum information processing, and atom-ion quantum simulators. These applications require extremely precise control and thus very accurate theoretical modeling. A new method that allows for a full 6-dimensional treatment of two particles in spatially separated 3-dimensional trapping potentials was developed. By allowing for the spatial displacement between the trapping potentials, it is possible to describe the controlled motion of a single ion through an optical-lattice potential filled with neutral atoms. The interaction between the neutral atom and the ion is modeled using realistic Born-Oppenheimer potential curves from ab initio quantum chemistry calculations. An application of the developed approach to the hybrid atom-ion system reveals avoided crossings between the molecular bound states and the unbound trap states as a function of the separation between the two traps. These avoided crossings correspond to trap-induced resonances. This finding confirms the trap-induced resonances predicted earlier based on quantum-defect-theory calculations. Also, the recently found inelastic confinement-induced resonances in ultracold neutral atoms are demonstrated to be present in atom-ion systems. These resonances arise due to the coupling between the center-of-mass and relative motions. The inelastic confinement-induced resonances could be used in coherent molecular ion formation and in the determination of atom-ion scattering properties like the scattering lengths.