Precision spectroscopy of the 2S-nP transitions in atomic hydrogen

Präzisionsspektroskopie an atomarem Wasserstoff ist eine wichtige Methode die Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Systeme, einer der Bausteine des Standardmodells, zu testen. Im einfachsten Fall besteht ein solcher Test aus dem Vergleich einer gemessenen Übergangsfrequenz mit der Vorhersage der QED, welche für das Wasserstoffatom mit sehr hoher Präzision berechnet werden kann. Diese Berechnungen benötigen allerdings bestimmte physikalische Konstanten als Eingangsparameter, unter anderem die Rydberg-Konstante sowie den Protonenladungsradius, welche gegenwärtig beide zu einem großen Teil selbst durch Wasserstoffspektroskopie bestimmt werden. Für einen Test der QED ist es deshalb notwendig, die Übergangsfrequenzen von mindestens drei verschiedenen Übergängen zu bestimmen. Gleichermaßen ist ein Vergleich der aus Messungen verschiedener Übergänge bestimmten Werte für die Rydberg-Konstante und den Protonenladungsradius ein Test der QED. Hierzu wurde in dieser Arbeit Laserspektroskopie der optischen 2S-nP-Übergänge durchgeführt. Da es sich bei diesen Übergängen um Ein-Photonen-Übergänge handelt, sind sie von einem anderen Satz an systematischen Effekten betroffen als Zwei-Photonen-Übergänge, auf denen die meisten anderen spektroskopischen Messungen an Wasserstoff basieren. Um zu einem Test der QED beitragen zu können, muss ihre Übergangsfrequenz mit einer relativen Unsicherheit in der Größenordnung von eins zu 10^12 bestimmt werden, in absoluten Einheiten etwa auf 1 kHz. Dies ist etwa 10000 Mal kleiner als die relativ große natürliche Linienbreite der 2S-nP-Übergänge, weshalb für eine erfolgreiche Messung sowohl ein sehr großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis als auch ein detailliertes theoretisches Verständnis der Linienform der beobachteten Resonanz notwendig ist. Die 2S-nP-Übergänge wurden an einem kryogenen Strahl aus Wasserstoffatomen, die optisch in den metastabilen 2S-Zustand angeregt wurden, untersucht. Der Atomstrahl wurde rechtwinklig mit zwei gegenläufigen Spektroskopie-Laserstrahlen gekreuzt, die die Atome weiter in den nP-Zustand anregten. Die Fluoreszenz des anschließenden, raschen spontanen Zerfalls diente als Messsignal. Die Anregung mit zwei gegenläufigen Strahlen führt zu zwei Dopplerverschiebungen der gleichen Größe, aber mit umgekehrten Vorzeichen, die sich damit aufheben. Eine nach der Geschwindigkeit der Atome aufgelöste Detektion erlaubte die Bestimmung eventuell verbliebener Dopplerverschiebungen, die im Rahmen der Messunsicherheit jedoch für beide unten vorgestellten Messungen ausgeschlossen werden konnten. In einem ersten Experiment wurde der 2S-4P-Übergang untersucht. Quanteninterferenz zwischen benachbarten atomaren Resonanzen führte zu subtilen Verformungen der Linienform, die sich aufgrund der sehr hohen Auflösung bezogen auf die Linienbreite als signifikant herausstellten. Die durch diese Verformungen verursachten Linienverschiebungen konnten direkt beobachtet und mit einem auf Störungstheorie basierenden Linienformmodell entfernt werden. Somit konnte die Übergangsfrequenz mit einer relativen Messungenauigkeit von 4 zu 10^12 bestimmt werden. In Kombination mit der sehr präzise gemessenen 1S-2S-Übergangsfrequenz erlaubte dies die zu dem Zeitpunkt präziseste Bestimmung der Rydberg-Konstante und des Protonenladungsradius mittels Spektroskopie an atomarem Wasserstoff. Darüber hinaus wurde eine gute Übereinstimmung mit dem durch Spektroskopie an myonischem Wasserstoff bestimmten, sehr viel präziseren Wert für den Protonenladungsradius festgestellt, welcher signifikant von den vorherigen Daten aus (elektronischem) Wasserstoff abweicht und damit zu Zweifeln an der Gültigkeit der QED geführt hatte. Der myonische Wert für den Protonenladungsradius wurde seitdem von weiteren Experimenten bestätigt. Die 2S-4P-Messung wird im Anhang dieser Arbeit behandelt. Trotz des hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses war die Genauigkeit der 2S-4P-Messung durch die Zählrate des Messsignals limitiert. Um die Präzision weiter zu erhöhen, war ein Übergang mit kleinerer Linienbreite und ein verbessertes experimentelles Signal notwendig. Deshalb wurde mit der Untersuchung des 2S-6P-Übergangs, welcher eine dreimal kleinere natürliche Linienbreite bietet, begonnen. Der Atomstrahlapparat wurde modifiziert, wodurch eine entsprechende Reduktion der experimentell beobachteten Linienbreite und ein fast eine Größenordnung höherer Fluss an langsamen Atomen im Atomstrahl erreicht werden konnte. Zusammen mit einer Neukonstruktion des Detektors führte dies im Vergleich zur 2S-4P-Messung zu einem bis zu 16-fach höherem Signal und machte damit den Weg zu höherer Präzision frei. Um diese Präzision zu ermöglichen, war darüber hinaus eine Weiterentwicklung der Dopplerverschiebungsunterdrückung notwendig. Dazu wurde ein Faserkollimator entwickelt, der eine exzellente Strahlqualität der Spektroskopie-Laserstrahlen bei der neuen Übergangswellenlänge von 410 nm bietet. Dies ermöglichte eine Messung der 2S-6P-Übergangsfrequenz mit einer statistischen Unsicherheit von 430 Hz, fünfmal niedriger als für die 2S-4P-Messung. Dies entspricht einer Unterdrückung der Dopplerverschiebung um sechs Größenordnungen. Bei dieser Präzision wird die Lichtkraftverschiebung durch die Beugung der Atome am optischen Gitter, welches durch die gegenläufigen Laserstrahlen erzeugt wird, signifikant. Diese Lichtkraftverschiebung wurde zum ersten Mal für die 2S-nP-Übergänge beobachtet und konnte durch ein hierfür entwickeltes Modell gut beschrieben werden. Die Größe aller anderen systematischen Effekte, mit Ausnahme der sehr genau bekannten Rückstoßverschiebung, wird mit jeweils kleiner als 500 Hz abgeschätzt. Die blinde Datenanalyse ist zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit noch im Gange, weshalb noch keine Übergangsfrequenzen angegeben werden können. Die vorläufige Analyse lässt jedoch eine fünffache Verbesserung der Bestimmung der Rydberg-Konstante und des Protonenladungsradius im Vergleich zur 2S-4P-Messung und eine zweifache Verbesserung im Vergleich zur momentan präzisesten Bestimmung an atomarem Wasserstoff erwarten. Damit liegt die Unsicherheit auf den bestimmten Wert des Protonenladungsradius innerhalb eines Faktors fünf der Unsicherheit des myonischen Wertes. Die 2S-6P-Messung ist zentraler Gegenstand dieser Arbeit.Precision spectroscopy of atomic hydrogen is an important way to test bound-state quantum electrodynamics (QED), one of the building blocks of the Standard Model. In its simplest form, such a test consists of the comparison of a measured transition frequency with its QED prediction, which can be calculated with very high precision for the hydrogen atom. However, these calculations require some input in the form of physical constants, such as the Rydberg constant and the proton charge radius, both of which are currently determined to a large degree by hydrogen spectroscopy itself. Therefore, the frequency of at least three different transitions needs to be measured in order to test QED. Equivalently, a comparison of the values of the Rydberg constant and the proton charge radius determined from measurements of different transitions constitutes a test of QED. To this end, laser spectroscopy of optical 2S-nP transitions has been performed in this work. As these transitions are one-photon transitions, they are affected by a different set of systematic effects than the two-photon transitions on which most other spectroscopic measurements of hydrogen are based. In order to contribute to the test of QED, their transition frequencies must be determined with a relative uncertainty on the order of one part in 10^12, corresponding to approximately 1 kHz in absolute terms. This is in turn approximately a factor of 10000 smaller than the relatively broad natural linewidth of the 2S-nP transitions, and a successful measurement requires both a very large experimental signal-to-noise ratio and a detailed theoretical understanding of the line shape of the observed resonance. The 2S-nP transitions were probed on a cryogenic beam of hydrogen atoms, which were optically excited to the metastable 2S level. The atomic beam was crossed at right angles with counter-propagating spectroscopy laser beams, which further excited the atoms to the nP level. The fluorescence from the subsequent rapid spontaneous decay served as experimental signal. The excitation with two counter-propagating beams lead to two Doppler shifts of equal magnitude, but opposite sign, which thus canceled each other out. A velocity-resolved detection was used to determine any residual Doppler shifts, which could be excluded within the measurement uncertainty for both of the measurements discussed below. In a first experiment, the 2S-4P transition was probed. Quantum interference of neighboring atomic resonances produced subtle distortions of the line shape, which were found to be significant because of the very large resolution relative to the linewidth. The line shifts caused by the distortions were directly observed and could be removed by use of a line shape model based on perturbative calculations. With this, the transition frequency was determined with a relative uncertainty of 4 parts in 10^12. In combination with the very precisely measured 1S-2S transition frequency, this allowed the, at the time, most precise determination of the Rydberg constant and the proton charge radius from atomic hydrogen. Moreover, good agreement was found with the much more precise value of the proton charge radius extracted from spectroscopy of muonic hydrogen, which had been in significant disagreement with previous data from (electronic) hydrogen, causing concern about the validity of QED. This result has since been confirmed by other experiments. The 2S-4P measurement is treated in the appendix of this thesis. The 2S-4P measurement, despite its large signal-to-noise ratio, was limited by counting statistics. To improve precision, a transition with a narrower linewidth and an improved experimental signal was necessary. Hence, the study of the 2S-6P transition, which offers a three times smaller natural linewidth, was begun. The atomic beam apparatus was upgraded, resulting in a corresponding decrease of the experimentally observed linewidth, and a close to an order of magnitude larger flux of atoms in the low-velocity tail of the atomic beam. Together with a detector redesign, this led to an up to 16 times larger signal than for the 2S-4P measurement, opening the path to increased precision. The Doppler-shift suppression was also rebuilt to support such precision, including a fiber collimator developed for this purpose, which provides high-quality spectroscopy beams at the new transition wavelength of 410 nm. This enabled a measurement of the 2S-6P transition frequency with a statistical uncertainty of 430 Hz, five times lower than for the 2S-4P measurement and corresponding to a suppression of the Doppler shift by six orders of magnitude. At this level of precision, the light force shift from the diffraction of atoms at the light grating formed by the counter-propagating spectroscopy beams becomes significant. This light force shift was directly observed for the first time for the 2S-nP transitions and found to be well-described by a model derived for this purpose. The size of all other systematic effects, except the very precisely known recoil shift, is estimated to be below 500 Hz each. The blind data analysis is ongoing at the time of writing and thus no transition frequencies can yet be given. However, a preliminary analysis suggests a five-fold improvement in the determination of the Rydberg constant and the proton charge radius as compared to the 2S-4P measurement, and a two-fold improvement over the currently most precise determination from atomic hydrogen. This places the uncertainty of the determined value of the proton charge radius within a factor of five of that of the muonic value. The 2S-6P measurement is treated in the main text of this thesis

Precision Spectroscopy of the 2S-nP Transitions in Atomic Hydrogen

Präzisionsspektroskopie an atomarem Wasserstoff ist eine wichtige Methode die Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Systeme, einer der Bausteine des Standardmodells, zu testen. Im einfachsten Fall besteht ein solcher Test aus dem Vergleich einer gemessenen Übergangsfrequenz mit der Vorhersage der QED, welche für das Wasserstoffatom mit sehr hoher Präzision berechnet werden kann. Diese Berechnungen benötigen allerdings bestimmte physikalische Konstanten als Eingangsparameter, unter anderem die Rydberg-Konstante sowie den Protonenladungsradius, welche gegenwärtig beide zu einem großen Teil selbst durch Wasserstoffspektroskopie bestimmt werden. Für einen Test der QED ist es deshalb notwendig, die Übergangsfrequenzen von mindestens drei verschiedenen Übergängen zu bestimmen. Gleichermaßen ist ein Vergleich der aus Messungen verschiedener Übergänge bestimmten Werte für die Rydberg-Konstante und den Protonenladungsradius ein Test der QED. Hierzu wurde in dieser Arbeit Laserspektroskopie der optischen 2S-nP-Übergänge durchgeführt. Da es sich bei diesen Übergängen um Ein-Photonen-Übergänge handelt, sind sie von einem anderen Satz an systematischen Effekten betroffen als Zwei-Photonen-Übergänge, auf denen die meisten anderen spektroskopischen Messungen an Wasserstoff basieren. Um zu einem Test der QED beitragen zu können, muss ihre Übergangsfrequenz mit einer relativen Unsicherheit in der Größenordnung von eins zu 10^12 bestimmt werden, in absoluten Einheiten etwa auf 1 kHz. Dies ist etwa 10000 Mal kleiner als die relativ große natürliche Linienbreite der 2S-nP-Übergänge, weshalb für eine erfolgreiche Messung sowohl ein sehr großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis als auch ein detailliertes theoretisches Verständnis der Linienform der beobachteten Resonanz notwendig ist. Die 2S-nP-Übergänge wurden an einem kryogenen Strahl aus Wasserstoffatomen, die optisch in den metastabilen 2S-Zustand angeregt wurden, untersucht. Der Atomstrahl wurde rechtwinklig mit zwei gegenläufigen Spektroskopie-Laserstrahlen gekreuzt, die die Atome weiter in den nP-Zustand anregten. Die Fluoreszenz des anschließenden, raschen spontanen Zerfalls diente als Messsignal. Die Anregung mit zwei gegenläufigen Strahlen führt zu zwei Dopplerverschiebungen der gleichen Größe, aber mit umgekehrten Vorzeichen, die sich damit aufheben. Eine nach der Geschwindigkeit der Atome aufgelöste Detektion erlaubte die Bestimmung eventuell verbliebener Dopplerverschiebungen, die im Rahmen der Messunsicherheit jedoch für beide unten vorgestellten Messungen ausgeschlossen werden konnten. In einem ersten Experiment wurde der 2S-4P-Übergang untersucht. Quanteninterferenz zwischen benachbarten atomaren Resonanzen führte zu subtilen Verformungen der Linienform, die sich aufgrund der sehr hohen Auflösung bezogen auf die Linienbreite als signifikant herausstellten. Die durch diese Verformungen verursachten Linienverschiebungen konnten direkt beobachtet und mit einem auf Störungstheorie basierenden Linienformmodell entfernt werden. Somit konnte die Übergangsfrequenz mit einer relativen Messungenauigkeit von 4 zu 10^12 bestimmt werden. In Kombination mit der sehr präzise gemessenen 1S-2S-Übergangsfrequenz erlaubte dies die zu dem Zeitpunkt präziseste Bestimmung der Rydberg-Konstante und des Protonenladungsradius mittels Spektroskopie an atomarem Wasserstoff. Darüber hinaus wurde eine gute Übereinstimmung mit dem durch Spektroskopie an myonischem Wasserstoff bestimmten, sehr viel präziseren Wert für den Protonenladungsradius festgestellt, welcher signifikant von den vorherigen Daten aus (elektronischem) Wasserstoff abweicht und damit zu Zweifeln an der Gültigkeit der QED geführt hatte. Der myonische Wert für den Protonenladungsradius wurde seitdem von weiteren Experimenten bestätigt. Die 2S-4P-Messung wird im Anhang dieser Arbeit behandelt. Trotz des hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses war die Genauigkeit der 2S-4P-Messung durch die Zählrate des Messsignals limitiert. Um die Präzision weiter zu erhöhen, war ein Übergang mit kleinerer Linienbreite und ein verbessertes experimentelles Signal notwendig. Deshalb wurde mit der Untersuchung des 2S-6P-Übergangs, welcher eine dreimal kleinere natürliche Linienbreite bietet, begonnen. Der Atomstrahlapparat wurde modifiziert, wodurch eine entsprechende Reduktion der experimentell beobachteten Linienbreite und ein fast eine Größenordnung höherer Fluss an langsamen Atomen im Atomstrahl erreicht werden konnte. Zusammen mit einer Neukonstruktion des Detektors führte dies im Vergleich zur 2S-4P-Messung zu einem bis zu 16-fach höherem Signal und machte damit den Weg zu höherer Präzision frei. Um diese Präzision zu ermöglichen, war darüber hinaus eine Weiterentwicklung der Dopplerverschiebungsunterdrückung notwendig. Dazu wurde ein Faserkollimator entwickelt, der eine exzellente Strahlqualität der Spektroskopie-Laserstrahlen bei der neuen Übergangswellenlänge von 410 nm bietet. Dies ermöglichte eine Messung der 2S-6P-Übergangsfrequenz mit einer statistischen Unsicherheit von 430 Hz, fünfmal niedriger als für die 2S-4P-Messung. Dies entspricht einer Unterdrückung der Dopplerverschiebung um sechs Größenordnungen. Bei dieser Präzision wird die Lichtkraftverschiebung durch die Beugung der Atome am optischen Gitter, welches durch die gegenläufigen Laserstrahlen erzeugt wird, signifikant. Diese Lichtkraftverschiebung wurde zum ersten Mal für die 2S-nP-Übergänge beobachtet und konnte durch ein hierfür entwickeltes Modell gut beschrieben werden. Die Größe aller anderen systematischen Effekte, mit Ausnahme der sehr genau bekannten Rückstoßverschiebung, wird mit jeweils kleiner als 500 Hz abgeschätzt. Die blinde Datenanalyse ist zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit noch im Gange, weshalb noch keine Übergangsfrequenzen angegeben werden können. Die vorläufige Analyse lässt jedoch eine fünffache Verbesserung der Bestimmung der Rydberg-Konstante und des Protonenladungsradius im Vergleich zur 2S-4P-Messung und eine zweifache Verbesserung im Vergleich zur momentan präzisesten Bestimmung an atomarem Wasserstoff erwarten. Damit liegt die Unsicherheit auf den bestimmten Wert des Protonenladungsradius innerhalb eines Faktors fünf der Unsicherheit des myonischen Wertes. Die 2S-6P-Messung ist zentraler Gegenstand dieser Arbeit.Precision spectroscopy of atomic hydrogen is an important way to test bound-state quantum electrodynamics (QED), one of the building blocks of the Standard Model. In its simplest form, such a test consists of the comparison of a measured transition frequency with its QED prediction, which can be calculated with very high precision for the hydrogen atom. However, these calculations require some input in the form of physical constants, such as the Rydberg constant and the proton charge radius, both of which are currently determined to a large degree by hydrogen spectroscopy itself. Therefore, the frequency of at least three different transitions needs to be measured in order to test QED. Equivalently, a comparison of the values of the Rydberg constant and the proton charge radius determined from measurements of different transitions constitutes a test of QED. To this end, laser spectroscopy of optical 2S-nP transitions has been performed in this work. As these transitions are one-photon transitions, they are affected by a different set of systematic effects than the two-photon transitions on which most other spectroscopic measurements of hydrogen are based. In order to contribute to the test of QED, their transition frequencies must be determined with a relative uncertainty on the order of one part in 10^12, corresponding to approximately 1 kHz in absolute terms. This is in turn approximately a factor of 10000 smaller than the relatively broad natural linewidth of the 2S-nP transitions, and a successful measurement requires both a very large experimental signal-to-noise ratio and a detailed theoretical understanding of the line shape of the observed resonance. The 2S-nP transitions were probed on a cryogenic beam of hydrogen atoms, which were optically excited to the metastable 2S level. The atomic beam was crossed at right angles with counter-propagating spectroscopy laser beams, which further excited the atoms to the nP level. The fluorescence from the subsequent rapid spontaneous decay served as experimental signal. The excitation with two counter-propagating beams lead to two Doppler shifts of equal magnitude, but opposite sign, which thus canceled each other out. A velocity-resolved detection was used to determine any residual Doppler shifts, which could be excluded within the measurement uncertainty for both of the measurements discussed below. In a first experiment, the 2S-4P transition was probed. Quantum interference of neighboring atomic resonances produced subtle distortions of the line shape, which were found to be significant because of the very large resolution relative to the linewidth. The line shifts caused by the distortions were directly observed and could be removed by use of a line shape model based on perturbative calculations. With this, the transition frequency was determined with a relative uncertainty of 4 parts in 10^12. In combination with the very precisely measured 1S-2S transition frequency, this allowed the, at the time, most precise determination of the Rydberg constant and the proton charge radius from atomic hydrogen. Moreover, good agreement was found with the much more precise value of the proton charge radius extracted from spectroscopy of muonic hydrogen, which had been in significant disagreement with previous data from (electronic) hydrogen, causing concern about the validity of QED. This result has since been confirmed by other experiments. The 2S-4P measurement is treated in the appendix of this thesis. The 2S-4P measurement, despite its large signal-to-noise ratio, was limited by counting statistics. To improve precision, a transition with a narrower linewidth and an improved experimental signal was necessary. Hence, the study of the 2S-6P transition, which offers a three times smaller natural linewidth, was begun. The atomic beam apparatus was upgraded, resulting in a corresponding decrease of the experimentally observed linewidth, and a close to an order of magnitude larger flux of atoms in the low-velocity tail of the atomic beam. Together with a detector redesign, this led to an up to 16 times larger signal than for the 2S-4P measurement, opening the path to increased precision. The Doppler-shift suppression was also rebuilt to support such precision, including a fiber collimator developed for this purpose, which provides high-quality spectroscopy beams at the new transition wavelength of 410 nm. This enabled a measurement of the 2S-6P transition frequency with a statistical uncertainty of 430 Hz, five times lower than for the 2S-4P measurement and corresponding to a suppression of the Doppler shift by six orders of magnitude. At this level of precision, the light force shift from the diffraction of atoms at the light grating formed by the counter-propagating spectroscopy beams becomes significant. This light force shift was directly observed for the first time for the 2S-nP transitions and found to be well-described by a model derived for this purpose. The size of all other systematic effects, except the very precisely known recoil shift, is estimated to be below 500 Hz each. The blind data analysis is ongoing at the time of writing and thus no transition frequencies can yet be given. However, a preliminary analysis suggests a five-fold improvement in the determination of the Rydberg constant and the proton charge radius as compared to the 2S-4P measurement, and a two-fold improvement over the currently most precise determination from atomic hydrogen. This places the uncertainty of the determined value of the proton charge radius within a factor of five of that of the muonic value. The 2S-6P measurement is treated in the main text of this thesis

[Research Pertaining to Physics, Space Sciences, Computer Systems, Information Processing, and Control Systems]

Research project reports pertaining to physics, space sciences, computer systems, information processing, and control system

Developing a Platform for cQED Studies of Silicon Vacancy Centers in Diamond within the Good-Cavity Limit

Silicon vacancy centers (SiVs) in diamond are local defects in the diamond lattice that behave as atomic-like systems with electronic energy levels and optical transitions. The SiV's optical properties and long spin decoherence times ($> \! 10$ ms @ 100 mK), along with its ability to be integrated into nano-engineered devices while maintaining its optical coherence, make it an attractive option as a solid state spin qubit for applications in quantum information.\cite{ref23,ref24,ref25} Here I present my work to develop a composite platform for cavity quantum electrodynamics (cQED) studies of SiVs in diamond in the good-cavity limit, $\kappa<g<\gamma$, where $\kappa,\:g,$ and $\gamma$ are the cavity decay rate, single-photon coupling rate, and excited state decay respectively. The system utilizes a strain-tunable silica microsphere optical resonator in contact with a 100 nm thin SiV diamond membrane which couples to the cavity modes via the external evanescent field. This system takes advantage of the exceptionally narrow cavity linewidths ($<$50 MHz) of microspheres to enable cQED studies in the good cavity limit and eventually allow cavity mediated control of the SiV spin state through the use of three-level $\Lambda$ systems. Cavity transmission measurements confirm that cavity mode broadening can be as small as 3 MHz when the membrane is in contact with the sphere. Photoluminescence (PL) and Photoluminescence Excitation (PLE) spectroscopy of the composite system show efficient coupling of SiV fluorescence into the cavity modes with single SiV optical transitions that are spectrally resolvable ($\gamma/2\pi \approx$ 200-400 MHz.) Strain tuning of the cavity has been demonstrated over a range of 500 GHz, and the system has been made robust to the vibration and acoustic noise created by the operation of the cryostat that keeps the system at 4 K. A theoretical estimate of the single photon coupling rate ($g/2\pi=150$ MHz) suggests this system can reach cooperativities of $C\approx 10$, which should be sufficient to observe cQED coupling effects in the SiV-cavity system

Design and verification of low temperature part of UHV – STM microscope

Diplomová práce se zabývá návrhem a ověřením chladícího systému a nízkoteplotní části UHV - STM mikroskopu, který bude pracovat při proměnné teplotě vzorku v rozsahu 20K - 300K. Vzhledem k požadované proměnné teplotě je použito heliového průtokového systému chlazení s využitím studeného He (~ 5 K) jako chladiva. Jsou řešeny dvě varianty nízkoteplotní části mikroskopu, v první verzi je chlazen pouze nosič vzorků, v druhém verzi je chlazen celý STM mikroskop. Navržený chladící systém tvoří He průtokový kryostat, který umožňuje připojení k zásobníku kapalného He (LHe) prostřednictvím nízkoztrátového He přepouštěče. Kryostat sestává z přívodů He, tepelných výměníků a měděných svazků (tzv. "braidů") pro tepelnou vazbu nosiče vzorků/STM mikroskopu a tepelně izolačního štítu kolem stolku mikroskopu s tepelnými výměníky. V práci je popsán návrh a konstrukce průtokového kryostatu s prvotními testy v sestrojené vakuové komoře. Dále je zde detailní rozbor tepelných toků tepelně izolačními podpěrami založených na styku sférických ploch a analýza tepelných toků v nízkoteplotní části chlazeného STM mikroskopu. Téma bylo řešeno ve spolupráci s Ústavem přístrojové techniky AV ČR, v.v.i. v Brně.The diploma thesis addresses the design and experimental verification of cooling system and low temperature part of UHV - STM working in temperature range of 20K - 300K. Due to the demand of variable temperature, the flow cooling system with cryogenic (~5 K) helium (He) is used. Two variants of the low temperature part of the microscope are studied. First the version with cooling only the sample holder, and second with cooling of the whole STM. Designed cooling system consists of He flow cryostat allowing to connect it to the Dewar vessel with liquid helium (LHe) using a low-loss transfer line. The cryostat consists of He inlet and outlet, heat exchangers and copper strains (i.e. braids) for the thermal connection of the sample holder/STM and radiation shield around the STM with the heat exchangers. The thesis describes the design of the flow cryostat and its initial tests in the designed vacuum chamber. Heat flow through a spot contact is also discussed to estimate thermal conductance of insulation supports based on thermal resistance of spherical contacts. The thesis was elaborated in collaboration with the Institute of Scientific Instruments of the ASCR, v.v.i.

Research in computer technology, spectrometry, control systems, vacuum instrumentation, plasma physics, superconductivity and related topics Progress report, Jun. - Aug. 1965

Research projects on surface and plasma physics, computer programming, information processing, superconductivity, ionospheric data, network synthesis and related field

Development and demonstration of a pico-Watt calorimeter for optical absorption spectroscopy

An optical calorimeter for sensitive absorption measurements of non-radiative samples at 4 K was designed, built, and demonstrated. It consists of a cryostat cooled by a commercial pulse tube (PTC) refrigerator, a measurement chamber housing the sample and thermometers, and various fiber-coupled light sources. By employing measures to damp mechanical noise from the environment and active temperature stabilization of critical components of the instrument temperature noise as low as 6 nK/√Hz at 50 mHz was achieved under 15 mW of optical excitation. An optical absorption induced temperature increase of the sample as small as 2.5 nK could be resolved using paramagnetic temperature sensors with SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) readout. This resulted in an absorption sensitivity of 0.3 ppm and 0.6 ppb for tunable 30 μW optical excitation from 330 nm to 1700 nm and for 15-mW laser excitation, respectively. The instrument was applied to the characterization of stacks of dielectric films for material science studies and laser mirror development

The Buffer Gas Beam: An Intense, Cold, and Slow Source for Atoms and Molecules

Beams of atoms and molecules are stalwart tools for spectroscopy and studies of collisional processes. The supersonic expansion technique can create cold beams of many species of atoms and molecules. However, the resulting beam is typically moving at a speed of 300-600 m/s in the lab frame, and for a large class of species has insufficient flux (i.e. brightness) for important applications. In contrast, buffer gas beams can be a superior method in many cases, producing cold and relatively slow molecules in the lab frame with high brightness and great versatility. There are basic differences between supersonic and buffer gas cooled beams regarding particular technological advantages and constraints. At present, it is clear that not all of the possible variations on the buffer gas method have been studied. In this review, we will present a survey of the current state of the art in buffer gas beams, and explore some of the possible future directions that these new methods might take