Modelling ion losses in cold ion-atom hybrid traps : photodissociation and non-radiative processes
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis focuses on the theoretical description of the quantum dynamics of ion-atom collisions in the sub-Kelvin temperature domain. The development of hybrid traps merging a cold ion trap and a cold neutral trap stimulated the investigation of many processes, including the formation of cold molecular ions, cold quantum-controlled reactions, charge transfer. In this work, we modelled non-radiative dynamics, and dynamics assisted by photons which are present in the experiment. We chose systems under investigation in various experimental groups. First, the formation of RbBa⁺ molecular ion in a hybrid Rb/Ba⁺ trap has been shown to be cancelled by the destruction of this ion by the trapping laser. I included the spin-orbit interaction in the photodissociation model, thus providing results with improved accuracy. I extended this model to the photodissociation of BaH⁺ ions created during the reactive collision between cold Ba⁺ and H₂.Next, I explored various processes involved in a Rb/Ca⁺ trap: radiative association, photodissociation, and black body radiation. I included novel calculations of the spin-orbit interaction performed in the group. I obtained reaction rates in good agreement with experimental findings, and I suggest a direct interpretation of the experimental observation of RbCa⁺ based on the robustness of the vibrational distribution with respect to the trapping laser. Finally, I set up a rigorous quantum scattering model including spin-orbit couplings calculated in the group and rotational couplings to study the collision between ground state Li atoms and metastable Ba⁺ ions. The calculated rate coefficients of the fine structure quenching, the parity-dependent non-radiative charge exchange, and the non-radiative quenching are qualitatively and quantitatively consistent with experimental data.
Abstract FR:
Cette thèse se concentre sur la description théorique de la dynamique quantique des collisions ion-atome dans le domaine des températures sub-Kelvin. Le développement de pièges hybrides pour les ions et les atomes neutres froids a stimulé l'étude de nombreux processus, notamment la formation d'ions moléculaires froids, le contrôle quantique de collisions froides, le transfert de charge. Dans ce travail, nous avons modélisé la dynamique non radiative, et la dynamique assistée par les photons qui sont présents dans l'expérience. Nous avons choisi des systèmes étudiés dans différents groupes expérimentaux. Tout d'abord, on a montré que la formation d'un ion moléculaire RbBa⁺ dans un piège hybride Rb/Ba⁺ est annulée par la destruction de cet ion par le laser de piégeage. J'ai inclus l'interaction spin-orbite dans le modèle de photodissociation, fournissant ainsi des résultats avec une meilleure précision. J'ai étendu ce modèle à la photodissociation des ions BaH⁺ créés lors de la collision réactive entre Ba⁺ froid et H₂. Ensuite, j'ai exploré divers processus impliqués dans un piège Rb/Ca⁺ : association radiative, photodissociation et rayonnement du corps noir. J'ai inclus de nouveaux calculs de l'interaction spin-orbite effectués dans le groupe. J'ai obtenu des taux de réaction en bon accord avec les résultats expérimentaux, et je suggère une interprétation directe de l'observation expérimentale de RbCa⁺ basée sur la robustesse de la distribution vibrationnelle par rapport au laser de piégeage. Enfin, j'ai mis en place un modèle rigoureux de diffusion quantique incluant les couplages spin-orbite calculés dans le groupe et les couplages rotationnels pour étudier la collision entre les atomes de Li à l'état fondamental et les ions Ba⁺ métastables. Les coefficients de taux calculés pour le changement de structure fine, l'échange de charge non radiatif dépendant de la parité et les collisions inélastiques non radiatives sont qualitativement et quantitativement cohérents avec les données expérimentales.