Von Ryberg-Atomen ...

Rydberg-Atome sind wahre Giganten in der atomaren Welt mit Größen von bis zu 10 Mikrometern bei n = 300 und stellen mesoskopische Einheiten dar. Sie ermöglichen die Untersuchung der Klassisch-Quantum-Korrespondenz und des Übergangs von der Quanten- zur klassischen Welt. Sie bieten auch ein nützliches Testfeld für Konzepte der nichtlinearen Dynamik, da selbst moderate äußere (magnetische oder elektrische) Felder starke, nicht trennbare Störungen verursachen. Rydberg-Atome haben kürzlich auch bei der Suche nach Bausteinen für Quanteninformationssysteme Aufmerksamkeit erregt. Rydberg-Atome wurden als Quanten-Phasenregister und als Quanten-Gatter vorgeschlagen, die die Rydberg-Dipol-Blockade nutzen. Letztere nutzt die starken Dipol-Dipol-Wechselwirkungen mit großer Reichweite, die Anregungen von Atomen in der Nähe eines bereits erzeugten Rydberg-Atoms bedingt blockieren. Allgemeiner ausgedrückt, stellt ein Ensemble ultrakalter Rydberg-Atome ein stark wechselwirkendes Vielteilchensystem dar, das weit vom Grundzustand entfernt ist.

Aufgrund des großen Abstands zwischen Elektron und Atomkern und der langsamen Bewegung des Elektrons erzeugt das Rydberg-Atom einen rotierenden Dipol, in dessen Potential andere Atome des Gases gebunden werden können.

... zu Rydberg-Molekülen

Ein weiteres interessantes Thema sind Rydberg-Moleküle, die zum Beispiel als empfindliche Sonde für die räumliche Verteilung ultrakalter Gase verwendet werden können. Wenn ein Rydberg-Atom in einem dichten Gas von Atomen angeregt wird, können sich ein oder mehrere Grundzustandsatome innerhalb der Rydberg-Elektronenbahn befinden. Bei einer anziehenden Wechselwirkung zwischen dem quasi freien Rydberg-Elektron und einem Grundzustandsatom kann ein Rydberg-Molekül mit sehr großer Reichweite entstehen. Typischerweise sind die Wechselwirkung und die daraus resultierende Bindungsenergie sehr klein, und es ist eine niedrige kinetische Energie eines Atoms im Grundzustand erforderlich, und die Bildung von Rydberg-Molekülen wird in einem ultrakalten Gas von Atomen (in der Größenordnung von 1 μK oder weniger) beobachtet. Im Rahmen der Born-Oppenheimer-Näherung ist das Molekularpotenzial eines Atoms im Grundzustand ungefähr proportional zur quadrierten Wellenfunktion des Rydberg-Elektrons. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wechselwirkung bei höherer Wahrscheinlichkeitsdichte des Rydberg-Elektrons größer ist. Die Schwingungsniveaus werden gebildet, indem ein Grundzustandsatom in diesen Potentialtöpfen gefangen wird.

Bei einem Rydberg-Dimer hat der Schwingungszustand mit der niedrigsten Energie eine Wellenfunktion, die im Raum um R_n = 2n² (a.u.) gut lokalisiert ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Dimer-Molekül entsteht, hängt also davon ab, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Paar von Grundzustandsatomen mit dem geeigneten Abstand zwischen den Kernen, R_n, gefunden wird. Durch Variation der Hauptquantenzahl des Rydberg-Atoms kann die Wellenfunktion an verschiedenen Positionen lokalisiert und eine Paarverteilung in verschiedenen Abständen untersucht werden. Zum Beispiel führt die Anregung von Rydberg-Dimeren zwischen n = 30 und 50 zu einer Paarkorrelation im Bereich von R = 90 nm und 250 nm. Diese Technik wurde auf ein ultrakaltes Gas aus Bosonen und Fermionen angewandt, und das Austauschloch in der Zweikörperkorrelation eines Fermionengases wurde beobachtet.

Das Rydberg-Molekül kann auch so erweitert werden, dass es mehr als ein Grundzustandsatom umfasst. Die Anregung eines Rydberg-Trimers, in dem zwei Grundzustandsatome gebunden sind, könnte die Möglichkeit eröffnen, eine Dreikörperkorrelation in ultrakalten Gasen zu untersuchen. Durch Erhöhung der Dichte eines Gases oder der Hauptquantenzahl n kann die Anzahl der Grundzustandsatome in einem Rydberg-Molekül erhöht werden. Der derzeitige Rekord für ein Rydberg-Molekül liegt bei etwa 10000 Atomen.

Webseite

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Publikationen

J. Burgdörfer, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, S. Yoshida, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster