Towards transverse laser cooling of calcium monofluoride molecules

Abstract

The strong anisotropic interaction and rich internal level structure of ultracold dipolar molecules promise to add new tools to the quantum simulation toolbox and provide robust qubit registers for quantum computation. Furthermore, the enormous fields within the molecules can be used to probe the internal structure of fundamental particles, testing theories beyond the current standard model. So far degenerate quantum gases of dipolar molecules have only been realized by molecules composed from ultracold alkali-atoms. Direct laser cooling of dipolar molecules has, however, made rapid progress in the recent years. In this master thesis, the construction of a new experimental setup for the cooling of calcium monofluoride (CaF) molecules is presented. The aim of this setup is to realize new phases of matter in bulk molecular Bose--Einstein condensates, such as droplet states and supersolids. In order to achieve this challenging goal, all cooling steps towards degeneracy must be optimized, with several key steps covered by this thesis. First, we have improved the flux of our molecular beam and the reliability of our cryogenic buffer gas source by switching from CaF2 salt targets to Ca metal targets. Second, we have designed a 2D transverse cooling chamber that can be used to collimate the diverging molecular beam via laser cooling, which will significantly improve the fraction of molecules that can be loaded into a magneto-optical trap (MOT). Third, to reach the large cooling forces necessary for high molecular densities, multiple laser systems were added to the experiment. A spectral engineering setup for the cooling laser was constructed such that all hyperfine levels of our main cooling transition can be addressed. Finally, we have shown optical cycling and magnetic remixing on an optically closed transition. We are now at the brink of achieving direct laser cooling of CaF molecules, allowing us to get one step closer to a molecular dipolar Bose--Einstein condensate.

Die starke anisotrope Wechselwirkung und eine reichhaltige Energieniveau-Struktur ultrakalter dipolarer Moleküle versprechen, neue Anwendungen zum Bereich der Quanten-Simulationen hinzuzufügen und robuste Qubit-Register für Quantencomputing bereitzustellen. Darüber hinaus können die enormen Felder innerhalb der Moleküle genutzt werden, um die innere Struktur fundamentaler Teilchen zu untersuchen und Theorien jenseits des aktuellen Standardmodells zu testen. Bisher wurden entartete Quantengase aus dipolaren Molekülen nur durch Moleküle realisiert, welche aus ultrakalten Alkalimetall-Atomen bestehen. Auch die direkte Laserkühlung von dipolaren Molekülen wurde jedoch in den letzten Jahren von rasanten Fortschritte geprägt. In dieser Diplomarbeit wird der Aufbau eines neuen Experiments zur Kühlung von Kaluiumfluorid-Molekülen (CaF) vorgestellt. Ziel dieses Aufbaus ist es, neue Phasen in molekularen Bose--Einstein-Kondensaten zu realisieren, wie zum Beispiel Tröpfchenzustände und Supersolidität. Um dieses anspruchsvolle Ziel zu erreichen, müssen alle Kühlungsschritte bis hin zur Entartung optimiert werden, wobei während dieser Arbeit mehrere zentrale Schritte umgesetzt wurden. Erstens haben wir den Fluss unseres Molekularstrahls und die Zuverlässigkeit unserer kryogenen Puffergasquelle verbessert, indem wir von CaF2-Salztargets zu Ca-Metalltargets übergegangen sind. Zweitens haben wir eine 2D-Transversal-Kühlkammer entwickelt, mit welcher der divergierende Molekularstrahl mittels Laserkühlung kollimiert werden kann, was den Anteil der Moleküle, die in eine magneto-optische Falle (MOT) geladen werden können, erheblich erhöhen wird. Drittens wurden zur Erzeugung der für hohe Moleküldichten notwendigen starken Kühlkräfte mehrere Lasersysteme in das Experiment integriert. Ein Aufbau für die spektrale Aufbereitung für den Kühlungslaser wurde entwickelt, sodass alle Hyperfeinniveaus unseres Hauptkühlübergangs adressiert werden können. Schließlich konnten wir wiederholte optische Anregungen und magnetische Durchmischung innerhalb eines optisch geschlossenen Übergangs demonstrieren. Wir stehen nun kurz davor, direktes Laserkühlen von CaF-Molekülen zu verwirklichen, was uns einem molekularen dipolaren Bose-Einstein-Kondensats einen Schritt näher bringt.