Interactions of Ions and Ultracold Neutral Atom Ensembles in Composite Optical Dipole Traps: Developments and Perspectives

Ion-atom interactions are a comparatively recent field of research that has drawn considerable attention due to its applications in areas including quantum chemistry and quantum simulations. In first experiments, atomic ions and neutral atoms have been successfully overlapped by devising hybrid apparatuses combining established trapping methods, Paul traps for ions and optical or magneto-optical traps for neutral atoms, respectively. Since then, the field has seen considerable progress, but the inherent presence of radiofrequency (rf) fields in such hybrid traps was found to have a limiting impact on the achievable collision energies. Recently, it was shown that suitable combinations of optical dipole traps (ODTs) can be used for trapping both atoms and atomic ions alike, allowing to carry out experiments in absence of any rf fields. Here, we show that the expected cooling in such bichromatic traps is highly sensitive to relative position fluctuations between the two optical trapping beams, suggesting that this is the dominant mechanism limiting the currently observed cooling performance. We discuss strategies for mitigating these effects by using optimized setups featuring adapted ODT configurations. This includes proposed schemes that may mitigate three-body losses expected at very low temperatures, allowing to access the quantum dominated regime of interaction.Comment: Contribution to Special Issue "Low Energy Interactions between Ions and Ultracold Alkali Atoms" of Atoms (ISSN 2218-2004). Changes in the updated version: corrected typos in text and references, corrected labeling in figures 5 and

Focus on the cold and ultracold chemistry of atoms, ions and molecules

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Non-dispersive optics using storage of light

We demonstrate the non-dispersive deflection of an optical beam in a Stern-Gerlach magnetic field. An optical pulse is initially stored as a spin-wave coherence in thermal rubidium vapour. An inhomogeneous magnetic field imprints a phase gradient onto the spin wave, which upon reacceleration of the optical pulse leads to an angular deflection of the retrieved beam. We show that the obtained beam deflection is non-dispersive, i.e. its magnitude is independent of the incident optical frequency. Compared to a Stern-Gerlach experiment carried out with propagating light under the conditions of electromagnetically induced transparency, the estimated suppression of the chromatic aberration reaches 10 orders of magnitude.Comment: 11 pages, 4 figures, accepted for publication in Physical Review

Quanteneffekte von Dunkelzustandspolaritonen

Der auf der quantenmechanischen Interferenz von Absorptionsamplituden beruhende Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) gestattet die Transmission von Licht durch sonst für resonante optische Felder undurchlässige atomare Medien. Mit diesem Phänomen geht eine drastische Reduktion der Gruppengeschwindigkeit einher, welche mehrere Größenordnungen geringer sein kann als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Mit der langsamen Ausbreitung des Lichtfeldes werden Quasiteilchen, die sogenannten Dunkelzustandspolaritonen, assoziiert, welche eine Überlagerung atomarer Spinwellenanteile und photonischer Komponenten darstellen. In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften dieser Quasiteilchen in kohärent präparierten Medien unter dem Einfluß der Lichtspeicherung, einer Technik zur reversiblen Übertragung optischer Information in den kollektiven kohärenten Zustand eines atomaren Ensembles, untersucht. Es wird gezeigt, dass bei der Speicherung von Licht in Dreiniveausystemen mit zwei stabilen Grundzuständen, den sogenannten Lambda-Systemen, eine starke Verschiebung der optischen Trägerfrequenz in Richtung der Zweiphotonenresonanz auftritt, sobald die atomare Kohärenz in Photonen der neu erzeugten Signalfeldmode rücktransformiert wird. Es wird erwartet, dass dieser Effekt für beliebige Werte der Zweiphotonenverstimmung des eingestrahlten Signalfeldes innerhalb des Transparenzfensters einer Dunkelresonanz und für beliebige Ausrichtungen der Signalfelder bezüglich des Kontrollstrahls gültig ist. Für den im Experiment untersuchten Spezialfall kopropagierender optischer Felder wurde im Rahmen der Fehlergrenzen die erwartete Anpassung an die atomare Übergangsfrequenz zwischen den Grundzuständen beobachtet. Dieser nichtdissipative Effekt kann zur Vermessung der Energiedifferenz zwischen den Grundzuständen herangezogen werden, ohne dass eine genaue Kenntnis der optischen Frequenz des Signalfeldes erforderlich ist. Das demonstrierte Verfahren stellt einen neuartigen Ansatz für die Raman-Spektroskopie dar, welcher sich auch auf den Fall von Zweiphotonenübergängen in Systemen mit einer leiterartigen Kopplung übertragen lassen sollte. Das beschriebene spektroskopische Verfahren kann prinzipiell auch für nichtklassische Lichtzustände wie gequetschtes Licht und für einzelne Photonen angewendet werden. Da der Quantenzustand von der Prozedur nicht beeinträchtigt wird, könnten dadurch Möglichkeiten für Messungen atomarer Übergangsfrequenzen und von Magnetfeldern mit quantenlimitierter Genauigkeit eröffnet werden. Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit die simultane Speicherung von zwei optischen Signalfeldmoden in einem aus Vierniveauatomen bestehenden Medium mit Dreibeinkopplung untersucht. Es wird gezeigt, dass die Speicherung von Dunkelzustandspolaritonen mit einer internen Zweiniveaustruktur, welche den entgegensetzt zueinander zirkular polarisierten optischen Signalfeldern zugeordnet werden, mittels Abbildung auf Spinwellenkohärenzen des atomaren Ensembles möglich ist. Der Nachweis, dass die optische Schwebungsfrequenz der Signalfelder nach der Speicherung durch die Übergangsfrequenz der Zeeman-Subniveaus des Grundzustands bestimmt wird, bestätigt den im Dreiniveausystem beobachteten Effekt der Frequenzanpassung. Die bei der Speicherung von Licht auftretende Frequenzanpassung ist auch im Hinblick auf Anwendungen im Zusammenhang mit der räumlichen Manipulation von Licht in Medien unter den Bedingungen der elektromagnetisch induzierten Transparenz von Interesse. In diesem Zusammenhang wurde experimentell die auf Phasenaufprägung zurückgeführte Ablenkung von Signalstrahlpulsen während der Speicherungsphase in Anwesenheit eines inhomogenen Magnetfeldes untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dispersion im Vergleich zur Stern-Gerlach-artigen Ablenkung in Experimenten mit kontinuierlich eingestrahlten Signalfeldern um mehrere Größenordnungen unterdrückt wird. Das durchgeführte Experiment lässt sich als grundsätzliche Demonstration eines nichtdispersiven optischen Elements interpretieren und stellt einen Ansatz zur Implementierung von optisch kontrollierten Linsen, Deflektoren oder adaptiven Optiken dar. Systeme mit einer sehr niedrigen Grundzustandsdekohärenz, die lange Speicherungsphasen ermöglichen, könnten sich außerdem für den Einsatz als magnetische Gradiometer eignen. Derart aufgebaute Vorrichtungen könnten in Zukunft ebenso von Speicherungstechniken für nichtklassische Lichtzustände profitieren wie Magnetometer oder Atomuhren auf Basis der Frequenzanpassung. Anwendungen im Bereich der Quantenspeicherung sind ebenfalls denkbar, wo die demonstrierte Methode möglicherweise zur Adressierung paralleler Kanäle dienen könnte. Eine Beschreibung aktuell durchgeführter, noch nicht abgeschlossener, Experimente, die auf den Nachweis des Aharonov-Casher-Effekts für langsames Licht abzielen, ist Gegenstand des abschließenden Teils dieser Arbeit. Erste Ergebnisse, die mit Dunkelzustandspolaritonen im Dreibeinsystem erzielt wurden, werden vorgestellt und im Hinblick auf die Vorhersagen eines theoretischen Modells diskutiert

Resonance beating of light stored using atomic spinor polaritons

We investigate the storage of light in atomic rubidium vapor using a multilevel-tripod scheme. In the system, two collective dark polariton modes exist, forming an effective spinor quasiparticle. Storage of light is performed by dynamically reducing the optical group velocity to zero. After releasing the stored pulse, a beating of the two reaccelerated optical modes is monitored. The observed beating signal oscillates at an atomic transition frequency, opening the way to novel quantum limited measurements of atomic resonance frequencies and quantum switches.Comment: 10 pages, 4 figures; paper title changed, minor corrections implemented

Modeling Photoassociative Spectra of Ultracold NaK + K

A model for photoassociation of ultracold atoms and molecules is presented and applied to the case of 39K and 23Na39K bosonic particles. The model relies on the assumption that photoassociation is dominated by long-range atom-molecule interactions well outside the chemical bond region. The frequency of the photoassociation laser is chosen close to a bound-bound rovibronic transition from the X1Σ+ ground state toward the metastable b3Π lowest excited state of 23Na39K, allowing us to neglect any other excitation, which could hinder the photoassociation detection. The energy level structure of the long-range 39K···23Na39K excited super-dimer is computed in the space-fixed frame by solving coupled-channel equations, involving the coupling between the 23Na39K internal rotation and the mechanical rotation of the super-dimer complex. A quite rich structure is obtained, and the corresponding photoassociation rates are presented. Other possible photoassociation transitions are discussed in the context of the proposed model

Frequency matching in light storage spectroscopy of atomic Raman transitions

We investigate the storage of light in an atomic sample with a lambda-type coupling scheme driven by optical fields at variable two-photon detuning. In the presence of electromagnetically induced transparency (EIT), light is stored and retrieved from the sample by dynamically varying the group velocity. It is found that for any two-photon detuning of the input light pulse within the EIT transparency window, the carrier frequency of the retrieved light pulse matches the two-photon resonance frequency with the atomic ground state transition and the control field. This effect which is not based on spectral filtering is investigated both theoretically and experimentally. It can be used for high-speed precision measurements of the two-photon resonance as employed e.g. in optical magnetometry.Comment: 10 pages, 4 figures; minor amendments implemented

Mass-selective removal of ions from Paul traps using parametric excitation

We study a method for mass-selective removal of ions from a Paul trap by parametric excitation. This can be achieved by applying an oscillating electric quadrupole field at twice the secular frequency ωsec using pairs of opposing electrodes. While excitation near the resonance with the secular frequency ωsec only leads to a linear increase of the amplitude with excitation duration, parametric excitation near 2ωsec results in an exponential increase of the amplitude. This enables efficient removal of ions from the trap with modest excitation voltages and narrow bandwidth, therefore, substantially reducing the disturbance of ions with other charge-to-mass ratios. We numerically study and compare the mass selectivity of the two methods. In addition, we experimentally show that the barium isotopes with 136 and 137 nucleons can be removed from small ion crystals and ejected out of the trap while keeping 138Ba + ions Doppler cooled, corresponding to a mass selectivity of better than Δ m/ m= 1 / 138. This method can be widely applied to ion trapping experiments without major modifications since it only requires modulating the potential of the ion trap