Erzeugung ultrakalter Ionen Paare aus langreichweitigen Rydberg-Molekülen

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Deiglmayr
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428456632

Ziel des Vorhabens ist es, einen Weg zur Erzeugung eines stark gekoppelten neutralen Plasmas zu entwickeln. Stark gekoppelte neutrale Plasmen bestehen aus einer gleichen Zahl positiv wie negativ geladener Teilchen, deren Wechselwirkungen untereinander viel stärker sind als die thermische Bewegungsenergie des Systems. Es zeigen sich daher starke räumliche Korrelationen zwischen den geladenen Teilchen. Die Vielkörperphysik solcher Systeme spielt unter anderem eine Rolle im Kern von Gasplaneten oder Fusionsreaktoren. Die zentrale Idee dieses Projektes ist die Transformation eines ultrakalten Gases von Cäsium Atomen in ein Cäsium-Ion und -Anion Plasma, indem in einem ersten Schritt Paare von Grundzustandsatomen durch Absorption eines Photons (Photoassoziation) in ein langreichweitiges Rydbergmolekül überführt werden. Die bindende Wechselwirkung in einem solchen Molekül ist die Streuung des fast ungebundenen Rydbergelektrons an einem Grundzustandsatom innerhalb seines Orbits. Die Molekülzustände sollen hierbei die besondere Eigenschaft haben, dass die Bindung durch Streuung in einem Kanal mit einem Drehimpulsquant (p-Wellenstreuung) dominiert wird. Dann existieren dipol-erlaubte Übergänge zwischen dem Streuzustand des Elektron-Neutral-Systems und dem gebundenen Grundzustand des Cäsiumanions. In einem weiteren Schritt wird dann das langreichweitige Rydbergmolekül durch stimuliere Emission, getrieben durch einen Laserpuls im mittleren Infrarot, in einen Ionen-Paar Zustand transformiert. Hierbei handelt es sich um einen gebundenen Zustand von Ion und Anion, dessen Eigenschaften durch die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den geladenen Teilchen dominiert wird. Da der Hamiltonoperator des Systems dem eines Rydbergatoms gleicht, werden auch die Bindungsenergien der Vibrationszustände dieses Moleküls durch die Rydbergformel beschrieben. Aufgrund der im Vergleich zum Elektron-Ion-System viel grösseren reduzierten Masse des Anion-Ionen-Systems werden diese Zustände als «schwere Rydbergzustände» bezeichnet. In einem letzten Schritt wird die Dissoziation schwerer Rydbergmoleküle in freie Ion-Anionen Paare untersucht. In der Kombination aller drei Schritte wird so ein Gas von ultrakalten Atomen in Gas ultrakalter Ionen und Anionen transformiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1929: Giant Interactions in Rydberg Systems (GiRyd)