Cooling and slowing towards a lithium MOT for high precision laser spectroscopy

Abstract

Lithium ist das dritte Element im Periodensystem und das leichteste Alkalimetall und das einzige, das stabile fermionische und bosonische Isotope besitzt. Es ist simpel genug um ab initio beschrieben zu werden, aber so komplex, dass viele physikalische Effekte für eine korrekte Beschreibung berücksichtigt werden müssen. Die D-Linien, also die Übergänge vom Grundzustand 2S1/2 zu den ersten angeregten Zuständen 2P1/2 und 2P3/2 , werden beeinflusst von der Zusammensetzung und Größe des Kern und seiner Polarisierbarkeit, der Abschirmung des Kerns durch die Elektronen der 1S-Schale, Quanteninterferenz und weitere Effekte. Das macht Lithium zum perfek- ten Testobjekt um Theorien der Kern- und Atomphysik zu untersuchen. Hochpräzise Laserspektroskopie soll das Mittel der Wahl für diese Untersuchung sein. Um Lithium spektroskopieren zu können, muss es zuerst erhitzt und in die Gasphase gebracht werden. Aufgrund der dafür nötigen Temperaturen sind die gemessenen Spektren allerdings stark durch den relativistischen Dopplereffekt beeinflusst. Mes- sungen sind durchaus möglich, aber höhere Präzision benötigt niedrigere Tempera- turen. Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse des Aufbaus einer magneto-optischen Falle zum Fangen und Kühlen von ⁶Li -Atomen (N = 10(1) · 10⁹) sowie ihren zuge- hörigen Zeeman-Slower. Sowohl die dafür notwendigen Lasersysteme als auch die einzelnen Komponenten des Aufbaus werden ausführlich erläutert und analysiert.

Lithium is the third element on the periodic table and the lightest alkali metal and the only one that has stable fermionic and bosonic isotopes. It is simple enough to be described ab initio but so complex that many physical effects have to be taken into account for a correct description. The D lines, i.e. the transitions from the groundstate 2S1/2 to the first excited states 2P1/2 and 2P3/2 , are influenced by the composition and size of the nucleus and its polarizability, the shielding of the nucleus by the electrons of the 1S shell, quantum interference and more effects. This makes lithium the perfect test object to examine theories of nuclear and atom physics. High precision laser spectroscopy shall be the method of choice for this examination. To perform spectroscopy on lithium, it first has to be heated and brought into the gas phase. Due to the therefor required temperatures, the measured spectra are strongly influenced by the relativistic Doppler effect. Measurements are absolutely possible but higher precision demands lower temperatures. This thesis presents the results of the installation of a magneto-optical trap for capturing and cooling of ⁶Li atoms (N = 10(1) · 10⁹) as well as its dedicated Zeeman slower. Both the necessary laser systems and the setup’s components are thoroughly explained and analyzed.