In this article, we describe the design, construction, and implementation of our ion-atom hybrid system incorporating a high resolution time of flight mass spectrometer (TOFMS). Potassium atoms (39K) in a magneto optical trap and laser cooled calcium ions (40Ca+) in a linear Paul trap are spatially overlapped, and the combined trap is integrated with a TOFMS for radial extraction and detection of reaction products. We also present some experimental results showing interactions between 39K+ and 39K, 40Ca+ and 39K+, as well as 40Ca+ and 39K pairs. Finally, we discuss prospects for cooling CaH+ molecular ions in the hybrid ion-atom system.

1.
A. T.
Grier
,
M.
Cetina
,
F.
Oručević
, and
V.
Vuletić
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
223201
(
2009
).
2.
C.
Zipkes
,
S.
Palzer
,
C.
Sias
, and
M.
Köhl
,
Nature
464
,
388
(
2010
).
3.
S.
Schmid
,
A.
Härter
, and
J. H.
Denschlag
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
133202
(
2010
).
4.
F. H. J.
Hall
,
M.
Aymar
,
N.
Bouloufa-Maafa
,
O.
Dulieu
, and
S.
Willitsch
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
243202
(
2011
).
5.
W. G.
Rellergert
,
S. T.
Sullivan
,
S.
Kotochigova
,
A.
Petrov
,
K.
Chen
,
S. J.
Schowalter
, and
E. R.
Hudson
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
243201
(
2011
).
6.
A.
Härter
,
A.
Krükow
,
A.
Brunner
,
W.
Schnitzler
,
S.
Schmid
, and
J. H.
Denschlag
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
123201
(
2012
).
7.
K.
Ravi
,
S.
Lee
,
A.
Sharma
,
G.
Werth
, and
S. A.
Rangwala
,
Nat. Commun.
3
,
1126
(
2012
).
8.
I.
Sivarajah
,
D. S.
Goodman
,
J. E.
Wells
,
F. A.
Narducci
, and
W. W.
Smith
,
Phys. Rev. A
86
,
063419
(
2012
).
9.
T.
Ray
,
S.
Jyothi
,
N. B.
Ram
, and
S. A.
Rangwala
,
Appl. Phys. B
114
,
267
(
2014
).
10.
S.
Haze
,
R.
Saito
,
M.
Fujinaga
, and
T.
Mukaiyama
,
Phys. Rev. A
91
,
032709
(
2015
).
11.
Z.
Meir
,
T.
Sikorsky
,
R.
Ben-shlomi
,
N.
Akerman
,
Y.
Dallal
, and
R.
Ozeri
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
243401
(
2016
).
12.
F. H. J.
Hall
and
S.
Willitsch
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
233202
(
2012
).
13.
J.
Deiglmayr
,
A.
Göritz
,
T.
Best
,
M.
Weidemüller
, and
R.
Wester
,
Phys. Rev. A
86
,
043438
(
2012
).
14.
W. G.
Rellergert
,
S. T.
Sullivan
,
S. J.
Schowalter
,
S.
Kotochigova
,
K.
Chen
, and
E. R.
Hudson
,
Nature
495
,
490
(
2013
).
15.
J. M.
Kwolek
,
D. S.
Goodman
,
B.
Slayton
,
R.
Blümel
,
J. E.
Wells
,
F. A.
Narducci
, and
W. W.
Smith
,
Phys. Rev. A
99
,
052703
(
2019
).
16.
P.
Eberle
,
A. D.
Dörfler
,
C.
von Planta
,
K.
Ravi
, and
S.
Willitsch
,
ChemPhysChem
17
,
3769
(
2016
).
17.
R.
Saito
,
S.
Haze
,
M.
Sasakawa
,
R.
Nakai
,
M.
Raoult
,
H.
Da Silva
,
O.
Dulieu
, and
T.
Mukaiyama
,
Phys. Rev. A
95
,
032709
(
2017
).
18.
P.
Puri
,
M.
Mills
,
E. P.
West
,
C.
Schneider
, and
E. R.
Hudson
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
083112
(
2018
).
19.
J.
Joger
,
H.
Fürst
,
N.
Ewald
,
T.
Feldker
,
M.
Tomza
, and
R.
Gerritsma
,
Phys. Rev. A
96
,
030703
(
2017
).
20.
T.
Sikorsky
,
Z.
Meir
,
R.
Ben-shlomi
,
N.
Akerman
, and
R.
Ozeri
,
Nat. Commun.
9
,
920
(
2018
).
21.
E.
Hudson
,
EPJ Tech. Instrum.
3
,
8
(
2016
).
22.
S.
Schiller
and
V.
Korobov
,
Phys. Rev. A
71
,
032505
(
2005
).
23.
W. B.
Cairncross
,
D. N.
Gresh
,
M.
Grau
,
K. C.
Cossel
,
T. S.
Roussy
,
Y.
Ni
,
Y.
Zhou
,
J.
Ye
, and
E. A.
Cornell
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
153001
(
2017
).
24.
M. G.
Kozlov
and
L. N.
Labzowsky
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
28
,
1933
1961
(
1995
).
25.
N.
Kimura
,
K.
Okada
,
T.
Takayanagi
,
M.
Wada
,
S.
Ohtani
, and
H. A.
Schuessler
,
Phys. Rev. A
83
,
033422
(
2011
).
26.
R.
Rugango
,
J. E.
Goeders
,
T. H.
Dixon
,
J. M.
Gray
,
N. B.
Khanyile
,
G.
Shu
,
R. J.
Clark
, and
K. R.
Brown
,
New J. Phys.
17
,
035009
(
2015
).
27.
A. K.
Hansen
,
O. O.
Versolato
,
L.
Klosowski
,
S. B.
Kristensen
,
A.
Gingell
,
M.
Schwarz
,
A.
Windberger
,
J.
Ullrich
,
J. R. C.
López-Urrutia
, and
M.
Drewsen
,
Nature
508
,
76
(
2014
).
28.
T.
Baba
and
I.
Waki
,
J. Appl. Phys.
92
,
4109
4116
(
2002
).
29.
B.
Roth
,
P.
Blythe
,
H.
Wenz
,
H.
Daerr
, and
S.
Schiller
,
Phys. Rev. A
73
,
042712
(
2006
).
30.
K.
Ravi
,
S.
Lee
,
A.
Sharma
,
G.
Werth
, and
S. A.
Rangwala
,
Appl. Phys. B
107
,
971
(
2012
).
31.
C. M.
Seck
,
E. G.
Hohenstein
,
C.-Y.
Lien
,
P. R.
Stollenwerk
, and
B. C.
Odom
,
J. Mol. Spectrosc.
300
,
108
111
(
2014
).
32.
S. J.
Schowalter
,
K.
Chen
,
W. G.
Rellergert
,
S. T.
Sullivan
, and
E. R.
Hudson
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
043103
(
2012
).
33.
K. A. E.
Meyer
,
L. L.
Pollum
,
L. S.
Petralia
,
A.
Tauschinsky
,
C. J.
Rennick
,
T. P.
Softley
, and
B. R.
Heazlewood
,
J. Phys. Chem. A
119
,
12449
12456
(
2015
).
34.
S.
Jyothi
,
T.
Ray
, and
S. A.
Rangwala
,
Appl. Phys. B
118
,
131
(
2015
).
35.
N.
Deb
,
L. L.
Pollum
,
A. D.
Smith
,
M.
Keller
,
C. J.
Rennick
,
B. R.
Heazlewood
, and
T. P.
Softley
,
Phys. Rev. A
91
,
033408
(
2015
).
36.
D.
Rösch
,
H.
Gao
,
A.
Kilaj
, and
S.
Willitsch
,
EPJ Tech. Instrum.
3
,
5
(
2016
).
37.
P. C.
Schmid
,
J.
Greenberg
,
M. I.
Miller
,
K.
Loeffler
, and
H. J.
Lewandowski
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
123107
(
2017
).
38.
C.
Schneider
,
S. J.
Schowalter
,
K.
Chen
,
S. T.
Sullivan
, and
E. R.
Hudson
,
Phys. Rev. Appl.
2
,
034013
(
2014
).
39.
D. M.
Lucas
,
A.
Ramos
,
J. P.
Home
,
M. J.
McDonnell
,
S.
Nakayama
,
J.-P.
Stacey
,
S. C.
Webster
,
D. N.
Stacey
, and
A. M.
Steane
,
Phys. Rev. A
69
,
012711
(
2004
).
40.
S.
Bourdeauducq
, whitequark,
R.
Jördens
,
Y.
Sionneau
, enjoy digital, cjbe,
D.
Nadlinger
, hartytp, JBoulder,
D.
Slichter
, Drew, mntng, R srinivas, apatura iris,
S.
Mackenzie
,
Z.
Smith
, P. K,
M.
Weber
, kemstevens,
F.
Held
, and
D.
Leibrandt
, m-labs/artiq: 4.0,
2018
.
41.
F. H.
Hall
,
P.
Eberle
,
G.
Hegi
,
M.
Raoult
,
M.
Aymar
,
O.
Dulieu
, and
S.
Willitsch
,
Mol. Phys.
111
,
2020
(
2013
).
42.
D. J.
Larson
,
J. C.
Bergquist
,
J. J.
Bollinger
,
W. M.
Itano
, and
D. J.
Wineland
,
Phys. Rev. Lett.
57
,
70
73
(
1986
).
43.
R.
Côté
and
A.
Dalgarno
,
Phys. Rev. A
62
,
012709
(
2000
).
44.
H.
Li
,
S.
Jyothi
,
M.
Li
,
J.
Klos
,
K. R.
Brown
, and
S.
Kotochigovaz
, “” (unpublished).
45.
S.
Kotochigova
, personal communication (
2019
).
46.
C.-w.
Chou
,
C.
Kurz
,
D. B.
Hume
,
P. N.
Plessow
,
D. R.
Leibrandt
, and
D.
Leibfried
,
Nature
545
,
203
(
2017
).
47.
A. T.
Calvin
,
S.
Janardan
,
J.
Condoluci
,
R.
Rugango
,
E.
Pretzsch
,
G.
Shu
, and
K. R.
Brown
,
J. Phys. Chem. A
122
,
3177
3181
(
2018
).
48.
A. T.
Calvin
and
K. R.
Brown
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
5797
5804
(
2018
).
49.
J. B.
Wübbena
,
S.
Amairi
,
O.
Mandel
, and
P. O.
Schmidt
,
Phys. Rev. A
85
,
043412
(
2012
).
You do not currently have access to this content.