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Main Title: Dipol-Dipol-Wechselwirkungen ultrakalter Helium Rydbergatome
Translated Title: Dipole-Dipole-Interactions of ultracold helium Rydberg atoms
Author(s): Gerlach, Stefan
Advisor(s): Sandner, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Obwohl die Eigenschaften von Rydbergatome bereits seit langer Zeit bekannt sind, ist es erst mit der Entwicklung und Anwendung neuer Laserkühlungsmethoden möglich deren Wechselwirkungen auf langen Zeiten zu studieren. Diese Wechselwirkungen bestimmen dabei die Dynamik in einem Ensemble von ultrakalten Rydbergatomen. In bisherigen Untersuchungen wurden jedoch nur Atome in Betracht gezogen, die kein permanentes Dipolmoment besitzen. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Untersuchung von ultrakalten Helium Rydbergatomen. Heliumatome spielen eine besondere Rolle, da sie im d-Zustand ein quasi-permanentes Dipolmoment besitzen und damit starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zu erwarten sind. Aufgrund der geringen Masse unterscheidet sich außerdem die Zeiten auf denen die Wechselwirkung stattfindet erheblich von jener der schweren Atome. Um die Wechselwirkungen zwischen ausgerichteten Dipolen direkt zu untersuchen, wurde ein externes elektrisches Feld durch Verwendung von Fallenstäben und einer flexiblen Nachweiselektronik angelegt. Durch selektive Anregung der unterschiedlichen Starkzustände konnte dabei die Ausrichtung der Dipole im Feld beliebig variiert werden. Mit Hilfe dieser Anlage war zum ersten Mal möglich, ultrakalte Helium-Rydbergatome und deren Wechselwirkung auf langen Zeiten zu studieren. Für das Verständnis der auf langen Zeiten stattfindenden Umverteilung und Ionisation durch Schwarzkörperstrahlung wurde die gesamte Umverteilung der Rydbergzustände im Gebundenen und Kontinuum anhand von Ratengleichungen simuliert. Anhand des Vergleichs der Messungen mit den Ergebnissen der Ratengleichungen konnten erhebliche Abweichungen von der erwarteten Umverteilung beobachtet werden. Bereits bei Dichten von nur 10^7 cm^-3 wurde auf kurzen Zeiten eine starke Umverteilung in langlebige l-Zuständen bei der Anregung von Zuständen n ≥ 24 nachgewiesen, die zu einem Nachweis der Zustände über mehrere ms führte. Durch Erhöhung der Dichte auf etwa 10^8 cm^-3 konnte auf kurzen Zeiten (wenige µs) ein starker zusätzlicher Umverteilungsprozess beobachtet werden. Hierbei bildet sich aufgrund der nach 1 µs durch Schwarzkörper-Photoionisation entstehenden Ionen eine Raumladung aus, die die entstandenen Elektronen fängt und zu induzierten Stößen zwischen den Rydbergatomen und den oszillierenden Elektronen führt. Dieses Verhalten wurde bereits in Rubidium beobachtet, wobei hier jedoch deutlich höhere Dichten notwendig waren. Obwohl bei maximal erreichbarer Dichte ein großer Anteil der Atome nach kurzer Zeit ionisiert wird, wurde eine vollständige Ionisierung, wie sie bei Rubidium erreicht wurde, in Helium nicht beobachtet. Der Grund dafür ist offenbar die begrenzte Dichte, die in der MOT metastabiler Heliumatome realisiert werden konnte. Mit Hilfe der selektiven Feldionisationsspektren wurde die Verteilung der Rydberg-Zustände direkt bis zu mehreren ms untersucht. Durch Vergleich mit den Ratengleichungen konnte damit eine deutlich erhöhte Anregung hoher n-Zustände bestätigt werden, die nur durch die Wechselwirkung der Rydbergatome zu verstehen ist, welche nach 100 µs relevant zum Tragen kommt. Durch Detektion der freiwerdenden Ionen zeigte sich, dass bei der Anregung von Zuständen mit n ≥ 40 bei einer Dichte von etwa 10^8 cm^-3 nach 1 ms zusätzliche Ionen entstehen. Dies kann als klarer Beweis für eine Wechselwirkung angesehen werden, da es hier offensichtlich auf langer Zeitskala zur Penning-Ionisation der Rydbergatome kommt. Durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes konnte zusätzlich die Umverteilung innerhalb einer Wolke ausgerichteter Dipole untersucht werden. Hier zeigte sich eine deutliche Umverteilung, welche aber nur die roten Starkzustände betrifft. Da die blauen Zustände nur durch die Schwarzkörperstrahlung umverteilt werden, führt die Anregung zu einer verzögerten Umverteilung aufgrund der l-Mischung im elektrischen Feld.Hierbei kommt es offensichtlich zu Dipol-Stößen, die abhängig von der Ausrichtung der Dipole wirken und damit je nach Orientierung zu einer Umverteilung der Zustände führen.
Although the properties of Rydberg atoms are known for a long time, study of longtime scale interactions are only possible due to the recent developments in the field of laser cooling methods. These interactions define the dynamics of an ensemble of ultracold Rydberg atoms. The reseach so far only addressed atoms without a permanent dipole moment. For this reason this thesis deals with the measurements of ultracold helium Rydberg atoms. Helium atoms are special because of their quasi-permanent dipole moment in the d-state and thus strong dipole-dipole-interactions are to be expected. Also the light mass of helium favours the dynamics caused by these interactions. To directly investigate the interactions between orientated dipoles an external eletric field was applied by using field plates. The orientation of the dipoles can be changed by selective excitation of the Stark-states. The built experiment allows for the first time to investigate ultracold helium Rydberg atoms and their interactions over a long time. To understand the redistribution of the Rydberg states caused by the blackbody radiation the complete redistribution was simulated using rate equations. By comparing the results with the measured data deviations could be recognized. Even a low densities of about 10^7 cm^-3 the states could be detected over a long time of some ms. By increasing the density to about 10^8 cm^-3 an additional redistribution process could be investigated on short times. This behaviour is known from dense Rubidium Rydberg gas. As seen in the experiment, the limited density of helium Rydberg atoms does not allow the development of an ultracold plasma. The complete redistribution of Rydberg states could be measured using the selective field ionization. The increased redistribution in highly excited states can only be explained with the interaction of the atoms. Measuring the created free ions additional signal could be measured after 1 ms when exciting states above n = 40. This clearly shows the influence of the dipole-dipole-interaction that lead to Penning collisions between the excited atoms. The interaction of orientated dipoles could be measured when applying an external electric field. These measurements revealed that the redistribution favours the red Stark states. Obviously the orientation of the dipoles are relevant for these collisions that leads to a redistribution.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13862
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1744
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1447
Exam Date: 20-Sep-2006
Issue Date: 12-Oct-2006
Date Available: 12-Oct-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Atomphysik
Dipol-Dipol-Wechselwirkung
MOT
Rydbergatome
Atomic physics
Dipole-Dipole-Interaction
MOT
Rydberg atoms
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