ISBN 978-3-8439-2783-3

978-3-8439-2783-3, Reihe Physik

Michael Schlagmüller
A single Rydberg Atom interacting with a Dense and Ultracold Gas

194 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und Realisierung einer neuen Experimentierapparatur zur Erforschung ultrakalter T < 1 µK Rubidium-Atome, sowie die Erforschung der elementaren Wechselwirkungen zwischen einem einzelnen Rydberg-Atom mit den umgebenden Atomen.

Mit Hilfe im der neuen Apparatur wurden einzelne Rydberg-Atome in einem Bose-Einstein Kondensat spektroskopiert. Die Spektren wurden systematisch für verschiedene nS Rydberg-Zustände gemessen, mit einer Hauptquantenzahl von n=40 bis 111. Die extrem hohen Dichten im Kondensat (bis zu 6x10^14 Atome/cm³) führen zu einer spektralen Verbreiterung und Frequenzverschiebung im Vergleich zur Anregung eines Rydberg-Atoms ohne zusätzliche Atome im Rydberg-Orbital. Es wurde ein Modell entwickelt, mit dem die untersuchten Spektren erklärt werden können.

Des Weiteren wurden die Dynamik eines einzelnen Rydberg-Atoms innerhalb des Bose-Einstein Kondensates erforscht. Wenige Mikrosekunden nach der Anregung das Rydberg-Atoms kollidiert dieses unelastisch mit einem Grundzustands-Atom und begrenzt die Lebenszeit der Rydberg Atome. Durch diese Kollision gewinnt das Rydberg-Elektron einen Drehimpuls und wechselt das Orbital. In dieser Reaktion wird kinetische Energie freigesetzt, die sich beide Kollisionspartner teilen. Als zweites Reaktionsprodukt entsteht aus der Kollision ein tief gebundenes Rb_2^+ Molekül-Ion mit einem freien Elektron.

Eine Analyse der neu gewonnenen Erkenntnisse über die Wechselwirkungsstärke und -dauer zeigt auf, dass die Wechselwirkung eines einzelnen Rydberg-Atoms so stark sein kann, dass die Dichte des Bose-Einstein Kondensates lokal durch das Rydberg-Elektron modifiziert wird. Die anziehende Wechselwirkung zwischen dem Elektron und dem Bose-Einstein Kondensat führt dazu, dass sich die Dichte der Atome genau an den Stellen erhöht, an denen das Rydberg-Elektron eine hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit besitzt. Für Rydberg-Atome mit einer Hauptquantenzahl von über n=100 ist die Auflösung des Abbildungssystems 1 µm genau genug, um zum aller ersten Mal das Elektronenorbital eines Rydberg-Atoms optisch auf eine Kamera abzubilden. Hierfür werden zwei verschiedene Experimente am Ende dieser Dissertation vorgeschlagen.