A Stark decelerator on a chip

Abstract

A lithographically-etched chip containing 1254 microscopic electrodes at a center-to-center spacing of 40 micron is used to produce an array of electric field strength minima 25 micron above the surface with a spacing between neighboring minima of 120 micron. These minima are produced by applying a series of six potentials to the electrodes. For polar molecules in low field seeking states, the electric field minima are potential energy minima and thus act as traps. By varying the potentials in a controlled manner, the field minima can be translated with respect to the electrodes at a constant distance from the surface. Experiments were performed with CO in the metastable a 3-Pi-1, v = 0, J = 1 state, which has a strong, linear Stark shift with low field seeking components, a 6 eV internal energy that enables easy detection through an Auger process, and a radiative lifetime of 2.6 ms, which is long enough for the experiments here. CO molecules in a pulsed molecular beam are directly excited to the metastable state with a 5 ns laser pulse. The metastable CO molecules pass through a skimmer and arrive to the chip traveling parallel to the surface and perpendicular to the electrodes. While above the chip, the molecules are manipulated by the electric fields and subsequently ejected from the other side toward the detector. Metastable 12-CO molecules have been guided over the chip at constant velocities and decelerated. As the final velocity decreases (i.e. the deceleration increases), the decelerated molecules arrive at the detector successively later, and the number of decelerated molecules reaching the detector also decreases. While this effect is expected, the fraction of molecules lost is much greater than trajectory simulations predict. Most of this excess loss at higher decelerations results from non-adiabatic transitions to untrapped states. At zero electric field, the low field seeking level of the a 3-Pi-1, v = 0, J = 1 state of 12-C-16-O is exactly degenerate with a level that is only weakly affected by the fields. As the molecules pass near the zero field region at the center of a microtrap, they can transition to this level, after which they are lost from the trap. One way to avoid this loss channel is to use 13-C-16-O instead of 12-C-16-O, which results in a breaking of this degeneracy by 50 MHz due to hyperfine structure. Because of this splitting, ensembles of metastable 13-C-16-O molecules can and have been decelerated to zero velocity above the chip and held for variable durations ranging from 0 ms to 2.5 ms. It is observed that fewer molecules are detected after longer trapping times on the chip, but the rate of this loss is consistent with the 2.6 ms radiative lifetime of the metastable CO molecules. Further experiments demonstrate that the Zeeman splitting due to an external magnetic field perpendicular to the electric field is a valid and more general way to prevent non-adiabatic losses in 12-CO.

Ein lithographisch gefertigter Chip, der 1254 mikroskopische Elektroden mit einem Mitten-Abstand von 40 µm besitzt, wird genutzt, um eine lineare Anordnung von Minima des elektrischen Feldes zu generieren in einem Abstand von 120 µm und eine Höhe von 25 µm über der Oberfläche. Hierzu werden sechs Spannungen benötigt, die extern angelegt werde. Für polare Moleküle in einem tieffeld-suchenden Zustand sind diese Feldminima auch mechanische Minima und fungieren als Fallen. Werden die angelegten Spannungen in definierter Weise variiert, bewegen sich die Feldminima längs der Struktur mit konstantem Abstand zur Oberfläche. Experimente wurden mit CO im metastabilen a 3-Pi-1, v = 0, J = 1 Zustand durchgeführt, der eine starke lineare Stark-Verschiebung für tieffeld-suchende Komponenten aufweist. Er hat eine Anregungsenergie von 6 eV, die einfachen Nachweis über einen Augerprozess erlaubt, und eine natürliche Lebensdauer von 2,6 ms, die für die hier beschriebenen Experimente ausreicht. Metastabiles CO wird in einem gepulsten Molekularstrahl durch direkte Anregung mit einem 5 ns Laserpuls produziert. Die Moleküle durchlaufen einen Skimmer und erreichen den Chip in einer Flugbahn parallel zur Oberfläche und senkrecht zur Elektrodenrichtung. Über dem Chip selbst werden sie durch die elektrischen Felder geführt und verlassen ihn in Richtung des Detektors. Metastabile 12-CO Moleküle wurden bei konstanten Geschwindigkeiten geführt und auch abgebremst. Wenn die Endgeschwindigkeit abnimmt, reduziert sich wie erwartet die Zahl der detektierten Moleküle. Allerdings ist dieser Effekt weitaus stärker als aus den Simulationsrechnungen zu erwarten war. Als wesentlicher Verlustmechanismus, der bei stärkerer Abbremsung deutlich wird, konnte der nichtadiabatische Übergang in Zustände identifiziert werden, die nicht eingefangen sind. Bei elektrischem Nullfeld ist das tieffeld-suchende Niveau des a 3-Pi-1, v = 0, J = 1 Zustands von 12-C-16-O streng mit einem Niveau entartet, das nur schwach mit dem elektrischen Feld wechselwirkt. Durchlaufen die Moleküle in den Mikrofallen nun einen Bereich nahe der Nullfeld-Region, kann ein Übergang in diesen Zustand erfolgen, so dass das Molekül die Falle verläßt. Eine Möglichkeit, diesen Verlustkanal zu unterdrücken, bietet das 13-C-16-O Isotopolog, bei dem aufgrund der Hyperfeinstrukturwechselwirkung diese Entartung aufgehoben ist mit einem Abstand von 50 MHz. So war es möglich Ensembles von metastabilem 13-C-16-O sogar bis zum Stillstand über dem Chip abzubremsen und für einen Zeitraum zwischen 0 und 2,5 ms zu halten. Die Zahl der nachgewiesenen Moleküle nahm zwar für längere Haltezeiten ab, aber die Verlustrate ist vereinbar mit der natürlichen Lebensdauer des metastabilen CO von 2,6 ms. Weitere Experimente zeigen, daß nichtadiabatische Verluste in 12-CO ebenfalls unterdrückt werden, wenn zusätzlich ein magnetisches senkrecht zum elektrischen Feld angelegt wird.