Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein besseres Verstandnis der Bildung atomarer negativer Ionen in Stosen mit zustandsselektierten Rydbergatomen zu schaffen. In einem Kreuzstrahlexperiment wurde mittels Massenspektrometrie die Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen in thermischen Stosen (mittlere kinetische Energie 90*230 meV) von zustandsselektierten Ne(ns,J=2) und Ne(nd,J=4) Rydberg-Atomen mit Grundzustandsatomen untersucht. Der n-abhangige Ratenkoeffizient fur die Prozesse Ne(nl) + CaNe + CaNe (nl) + SrNe + Sr wurde bei zwei verschiedenen mittleren Stosenergien bestimmt. Die experimentellen Resultate wurden mit Modellrechnungen, basierend auf einem Kurvenkreuzungsmodell und einer modifizierten adiabatischen Theorie, verglichen. Im Experiment kreuzt ein kollimierter Strahl metastabiler Edelgasatome Ne, die in einer Gleichstromentladung erzeugt werden, einen kollimierten Strahl von Erdalkali-Atomen, der in einem Ofen unter effusiven Bedingungen produziert wird. Im Kreuzungsgebiet werden Ne(ns,J=2) oder Ne(nd,J=4) Rydberg-Zustande bevolkert; dies erfolgt in einer zweistufigen Laseranregung der Ne Atome uber den Zwischenzustand Ne. Die beim Elektronentransfer entstandenen positiven und negativen Ionen wurden mit einem Quadrupol-Massenspektrometer an einem Channel-Plate-Detektor nachgewiesen. Zur Kalibrierung der Spektren wurde SF-Gas diffus in den Reaktionsraum eingelassen. Die bekannten n-abhangigen Ratenkoeffizienten fur die Bildung von SF in Stosen mit Ne(nl) Rydberg-Atomen ermoglichte die Bestimmung des relativen Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca und Sr. Der n-abhangige Ratenkoeffizient fur die Bildung von Ca oder Sr zeigt ein resonanzartiges Verhalten als Funktion der Bindungsenergie des Rydbergelektrons. Die Position des Maximums hangt dabei von der Elektronenaffinitat und der mittleren kinetischen Energie ab. Die beobachteten Maxima liegen bei effektiven Hauptquantenzahlen im Bereich n = 9*11.5. Das Maximum fur den Elektronentransfer aus Ne(ns) und Ne(nd) Zustanden tritt bei dem gleichen Wert von n auf; dabei ist der Ratenkoeffizient im Maximum fur Ne(ns) Zustande etwa 20-60% hoher als fur Ne(nd)-Zustande. Zum Verstandnis der experimentellen Daten wurden Modellrechnungen durchgefuhrt, wobei der Wirkungsquerschnitt fur die Bildung negativer Ionen in Abhangigkeit von n i) anhand eines parameterfreien Kurvenkreuzungsmodells in Zusammenarbeit mit C. Desfrancois und ii) basierend auf einer modifizierten adiabatischen Theorie von I. I. Fabrikant bestimmt wurde. Das parameterfreie Kurvenkreuzungsmodell wurde bereits erfolgreich zur Beschreibung der Bildung dipolgebundener Molekule in Stosen mit zustandsselektierten Rydbergatomen eingesetzt. Im Kurvenkreuzungsmodell i) werden die beiden ionischen Zustande und eine hohe Anzahl kovalenter Potentialkurven in einem gekoppelten System (ohne Berucksichtigung von Interferenz- Effekten) betrachtet, wobei fur die Wahrscheinlichkeit, von einer kovalenten zu einer ionischen Potentialkurve zu wechseln, die Landau-Zener- Ubergangswahrscheinlichkeit eingesetzt wird. In Modell ii) wird nur jeweils eine ionische und kovalente Potentialkurve des Systems betrachtet. Nach der Bildung der Ionen wird der Zerfall des negativen Ions im Coulombfeld des positiven Ions berucksichtigt; dieser Zerfall entspricht dem Effekt der Mehrfachkurvenkreuzungen im Kurvenkreuzungsmodell. Zur Berucksichtigung der Feinstruktur wird in Modell ii) der Wirkungsquerschnitt entsprechend dem statistischen Mittel der negativen Ionen ermittelt. Die Ratenkoeffizienten wurden durch Mittelung uber die Verteilung der Relativenergie bestimmt. Beide Modelle geben den experimentell bestimmten Verlauf des Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca- und Sr-Ionen gut wieder. Es hat sich gezeigt, das unter den realisierbaren experimentellen Bedingungen die kinetische Energie einen entscheidenden Einflus auf die Bildung der negativen Ionen hat, da das entstandene Ionenpaar genugend kinetische Energie zur Verfugung haben mus, um die Coulombanziehung zu uberwinden. Die Untersuchung der Bildung von Yb*Ionen (erwartete Bindungsenergie 3 meV) in Stosen mit zustandsselektierten Ar(nd)-Rydbergatome zeigte im Bereich 21 n 3 keinen Hinweis auf die Existenz eines langlebigen Yb-Ions. In Kombination mit Abschatzungen zum Felddetachment negativer Ionen im elektrischen Feld des Quadrupolmassenspektrometers ergibt sich aus diesen Befunden die Aussage, das die Bindungsenergie von Yb-Ionen * falls sie uberhaupt existieren * geringer als 2 meV sein mus. Die Resultate dieser Arbeit konnten die scharfe Resonanz fur Ca-Bildung bei n = 23.9, die von McLaughlin und Duquette beobachtet wurde, nicht reproduzieren. Die nach dem Resonanzmodell von I. I. Fabrikant vorhergesagte Bildung negativer Ca*Ionen bei EA(Ca) E!,(Ne(nl)) wurde nicht bestatigt. Das beobachtete resonanzartige Verhalten des Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca und Sr in Stosen mit zustandsselektierten Rydberg-Atomen ist ahnlich mit den Ergebnissen fur die Bildung dipolgebundener molekularer Anionen. Dieses Verhalten kann durch ein Kurvenkreuzungsmodell oder eine modifizierte adiabatische Theorie beschrieben werden. Quantitativ ergibt sich aus KKM-Rechnungen folgende Relation zwischen der Bindungsenergie EA im Bereich 2-100 meV und der Position des Maximums n des Ratenkoeffizienten fur die Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen: n = (225738 meV/ EA) bzw. EA = 225738 meV/(n).
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein besseres Verstandnis der Bildung atomarer negativer Ionen in Stosen mit zustandsselektierten Rydbergatomen zu schaffen. In einem Kreuzstrahlexperiment wurde mittels Massenspektrometrie die Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen in thermischen Stosen (mittlere kinetische Energie 90230 meV) von zustandsselektierten Ne(ns,J=2) und Ne(nd,J=4) Rydberg-Atomen mit Grundzustandsatomen untersucht. Der n-abhangige Ratenkoeffizient fur die Prozesse Ne(nl) + CaNe + CaNe (nl) + SrNe + Sr wurde bei zwei verschiedenen mittleren Stosenergien bestimmt. Die experimentellen Resultate wurden mit Modellrechnungen, basierend auf einem Kurvenkreuzungsmodell und einer modifizierten adiabatischen Theorie, verglichen. Im Experiment kreuzt ein kollimierter Strahl metastabiler Edelgasatome Ne, die in einer Gleichstromentladung erzeugt werden, einen kollimierten Strahl von Erdalkali-Atomen, der in einem Ofen unter effusiven Bedingungen produziert wird. Im Kreuzungsgebiet werden Ne(ns,J=2) oder Ne(nd,J=4) Rydberg-Zustande bevolkert; dies erfolgt in einer zweistufigen Laseranregung der Ne Atome uber den Zwischenzustand Ne. Die beim Elektronentransfer entstandenen positiven und negativen Ionen wurden mit einem Quadrupol-Massenspektrometer an einem Channel-Plate-Detektor nachgewiesen. Zur Kalibrierung der Spektren wurde SF-Gas diffus in den Reaktionsraum eingelassen. Die bekannten n-abhangigen Ratenkoeffizienten fur die Bildung von SF in Stosen mit Ne(nl) Rydberg-Atomen ermoglichte die Bestimmung des relativen Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca und Sr. Der n-abhangige Ratenkoeffizient fur die Bildung von Ca oder Sr zeigt ein resonanzartiges Verhalten als Funktion der Bindungsenergie des Rydbergelektrons. Die Position des Maximums hangt dabei von der Elektronenaffinitat und der mittleren kinetischen Energie ab. Die beobachteten Maxima liegen bei effektiven Hauptquantenzahlen im Bereich n = 911.5. Das Maximum fur den Elektronentransfer aus Ne(ns) und Ne(nd) Zustanden tritt bei dem gleichen Wert von n auf; dabei ist der Ratenkoeffizient im Maximum fur Ne(ns) Zustande etwa 20-60% hoher als fur Ne(nd)-Zustande. Zum Verstandnis der experimentellen Daten wurden Modellrechnungen durchgefuhrt, wobei der Wirkungsquerschnitt fur die Bildung negativer Ionen in Abhangigkeit von n i) anhand eines parameterfreien Kurvenkreuzungsmodells in Zusammenarbeit mit C. Desfrancois und ii) basierend auf einer modifizierten adiabatischen Theorie von I. I. Fabrikant bestimmt wurde. Das parameterfreie Kurvenkreuzungsmodell wurde bereits erfolgreich zur Beschreibung der Bildung dipolgebundener Molekule in Stosen mit zustandsselektierten Rydbergatomen eingesetzt. Im Kurvenkreuzungsmodell i) werden die beiden ionischen Zustande und eine hohe Anzahl kovalenter Potentialkurven in einem gekoppelten System (ohne Berucksichtigung von Interferenz- Effekten) betrachtet, wobei fur die Wahrscheinlichkeit, von einer kovalenten zu einer ionischen Potentialkurve zu wechseln, die Landau-Zener- Ubergangswahrscheinlichkeit eingesetzt wird. In Modell ii) wird nur jeweils eine ionische und kovalente Potentialkurve des Systems betrachtet. Nach der Bildung der Ionen wird der Zerfall des negativen Ions im Coulombfeld des positiven Ions berucksichtigt; dieser Zerfall entspricht dem Effekt der Mehrfachkurvenkreuzungen im Kurvenkreuzungsmodell. Zur Berucksichtigung der Feinstruktur wird in Modell ii) der Wirkungsquerschnitt entsprechend dem statistischen Mittel der negativen Ionen ermittelt. Die Ratenkoeffizienten wurden durch Mittelung uber die Verteilung der Relativenergie bestimmt. Beide Modelle geben den experimentell bestimmten Verlauf des Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca- und Sr-Ionen gut wieder. Es hat sich gezeigt, das unter den realisierbaren experimentellen Bedingungen die kinetische Energie einen entscheidenden Einflus auf die Bildung der negativen Ionen hat, da das entstandene Ionenpaar genugend kinetische Energie zur Verfugung haben mus, um die Coulombanziehung zu uberwinden. Die Untersuchung der Bildung von YbIonen (erwartete Bindungsenergie 3 meV) in Stosen mit zustandsselektierten Ar(nd)-Rydbergatome zeigte im Bereich 21 n 3 keinen Hinweis auf die Existenz eines langlebigen Yb-Ions. In Kombination mit Abschatzungen zum Felddetachment negativer Ionen im elektrischen Feld des Quadrupolmassenspektrometers ergibt sich aus diesen Befunden die Aussage, das die Bindungsenergie von Yb-Ionen * falls sie uberhaupt existieren * geringer als 2 meV sein mus. Die Resultate dieser Arbeit konnten die scharfe Resonanz fur Ca-Bildung bei n = 23.9, die von McLaughlin und Duquette beobachtet wurde, nicht reproduzieren. Die nach dem Resonanzmodell von I. I. Fabrikant vorhergesagte Bildung negativer CaIonen bei EA(Ca) E!,(Ne(nl)) wurde nicht bestatigt. Das beobachtete resonanzartige Verhalten des Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca und Sr in Stosen mit zustandsselektierten Rydberg-Atomen ist ahnlich mit den Ergebnissen fur die Bildung dipolgebundener molekularer Anionen. Dieses Verhalten kann durch ein Kurvenkreuzungsmodell oder eine modifizierte adiabatische Theorie beschrieben werden. Quantitativ ergibt sich aus KKM-Rechnungen folgende Relation zwischen der Bindungsenergie EA im Bereich 2-100 meV und der Position des Maximums n des Ratenkoeffizienten fur die Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen: n = (225738 meV/ EA) bzw. EA = 225738 meV/(n).
In der Chemie des Alltags dominieren Bindungen im elektronischen Grundzustand chemischer Stoffe. Elemente in höher angeregten Zuständen spielen bis auf Ausnahmen wie Singulett-Sauerstoff oder in der Photochemie keine Rolle. Können auch Atome in höchst angeregten Zuständen stabile chemische Bindungen bilden? Mit welchen theoretischen Methoden lässt sich ein Molekül beschreiben, in dem sich Elektronen und Atomkerne auf ähnlichen Zeitskalen bewegen? Und mit welchen experimentellen Methoden lassen sich solche ungewöhnlichen Bindungen untersuchen? Dies sind die Fragen, die wir mit unserer Forschung beantworten möchten. Im Zentrum stehen die Bindungen von Rydbergatomen, also von Atomen, bei denen sich ein Elektron in einem elektronisch höchst angeregten Zustand befindet. Der semiklassische Bahnradius dieses Rydbergelektrons beträgt n2a0, wobei n die elektronische Hauptquantenzahl des angeregten Zustands und a0 der Bohrradius ist. Für n = 30 beträgt der Durchmesser eines Rydbergatoms bereits etwa 100 nm. Durch die starke Delokalisierung der elektronischen Wellenfunktion steigt die radiative Lebensdauer mit n3 an und übertrifft bei n = 30 30 μs. Rydbergmoleküle könnten auf ähnlichen Zeitskalen stabil sein, falls nur der spontane Zerfall der elektronischen Anregung die molekularen Lebensdauern begrenzte. Wie wir aus Erfahrung wissen, dissoziieren oder autoionisieren hoch angeregte Moleküle jedoch typischerweise auf Zeitskalen von Piko- bis zu Attosekunden. Dies ist nicht immer der Fall, wie die folgenden Beispiele zeigen. Einfach angeregte Dimere können durch die Bindung eines Rydbergatoms an ein Grundzustandsatom entstehen. Auf Grund der großen Bindungslänge werden sie als langreichweitig (long-range) bezeichnet. Noch größere Bindungslängen (Mikrometer und mehr) haben doppelt angeregte Dimere mit van-der-Waals-Bindung, sie werden darum Makrodimere genannt. Die Bindungsenergien dieser Moleküle liegen typischerweise in der Größenordnung von 0,1 J·mol–1 und sind um Größenordnungen kleiner als die thermische Bewegungsenergie bei Raumtemperatur von etwa 2 J·mol–1 und die elektronischen Anregungsenergien von bis zu 700 J·mol–1. Für unsere Experimente (Abbildung 1) verwenden wir daher sehr kalte Gase mit Temperaturen von 40 μK, die wir durch Laserkühlung erzeugen. Diese Methode eignet sich besonders zum Kühlen von Alkalimetallgasen. Wir verwenden Cäsium; die Ergebnisse lassen sich jedoch direkt auf isoelektronische Systeme übertragen, da der universelle Rydbergcharakter der Anregung die Struktur der untersuchten Moleküle bestimmt. Die Tabelle vergleicht molekulare Konstanten des elektronischen Grundzustands von Cs2 mit denen der von uns untersuchten Rydbergdimere. Deren Dissoziationsenergien und Schwingungskonstanten sind um Größenordnungen kleiner als die des elektronischen Grundzustandes. Aus den großen Bindungslängen ergeben sich Rotationskonstanten im Bereich von kHz bis Hz. Ungewöhnlich ist die Rolle der Hyperfeinwechselwirkung in der Bindung langreichweitiger Rydbergmoleküle. Direkte Übergänge in die untersuchten molekularen Rydbergzustände aus dem kovalent gebundenen Grundzustand des Dimers sind auf Grund der unterschiedlichen Bindungslängen durch das Franck-Condon-Prinzip verboten (Abbildung 1). Ihre Untersuchung erfordert daher spezielle experimentelle Methoden. Besonders geeignet ist die Photoassoziationsspektroskopie, wie in Abbildung 1 skizziert: Die kalte atomare Gaswolke wird mit einem Laser im UV bestrahlt, dessen Frequenz rotverschoben gegenüber dem Übergang in einen atomaren Rydbergzustand ist. Ein freies Paar von Atomen im Dissoziationskontinuum der elektronischen Grundzustände X1Σg+ und a3Σu+ kann nun ein Photon absorbieren und ein gebundenes langreichweitiges Rydbergmolekül bilden, falls der interatomare Abstand der Bindungslänge und die Verstimmung des Lasers der Bindungsenergie des Rydbergdimers entsprechen. Die Moleküle sind durch Feldionisation und anschließende Detektion der Ionen nachweisbar.3) Variieren der Laserwellenlänge und Aufzeichnen des Ionensignals ergibt ein Anregungsspektrum des Dimers. Zur Untersuchung doppelt angeregter Rydbergdimere verwenden wir zwei Laserpulse: Mit dem ersten Puls regen wir einige Grundzustandsatome resonant in einen n2PJ- (Ein-Photonen-Anregung) oder in einen n2S1/2-Zustand (Zwei-Photonen-Anregung) an. Den eigentlichen Photoassoziationsschritt bewirkt ein zweiter Laser, dessen Wellenlänge wiederum verstimmt zu einem Übergang in einen Zustand n2PJ ist. Finden sich ein Rydbergatom und ein Grundzustandsatom im richtigen Abstand, absorbieren sie gemeinsam ein Photon aus diesem Puls und bilden ein Makrodimer.4) Aus der Delokalisierung des Rydbergorbitals ergibt sich eine hohe Polarisierbarkeit von Rydbergatomen, die mit n7 zunimmt. Ein Atom in einem Rydbergzustand mit n ¼ 45 ist um zehn Größenordnungen stärker polarisierbar als im Grundzustand. Entsprechend verstärkt sind auch die langreichweitigen Wechselwirkungen zwischen Rydbergatomen. Es dominiert die Wechselwirkung zwischen induzierten Dipolmomenten, die mit dem Abstand R zwischen den Kernen wie R–6 abfällt.5) Erst kürzlich zeigte sich die Bedeutung höherer Momente, zum Beispiel die Wechselwirkung von induziertem Dipol und induziertem Quadrupol mit einer R-Abhängigkeit von R–8.6) Die starken Wechselwirkungen zwischen Rydbergatomen und die hohe Dichte elektronischer Zustände, die mit n3 ansteigt, resultieren in vermiedenen Kreuzungen zwischen molekularen Potenzialkurven, die zu Atompaaren in unterschiedlichen asymptotischen Zuständen korrelieren (Abbildung 2). Die lokalen Minima in der potenziellen Energie erlauben die Bildung von Makrodimeren. Neben den experimentellen Schwierigkeiten, diese hochangeregten, schwach gebundenen Dimere zu bilden, verhinderte die fehlende Genauigkeit von Ab-initio-Rechnungen die direkte spektroskopische Beobachtung dieser Moleküle. Die Wechselwirkungspotenziale zwischen Rydbergatomen weisen viele lokale Minima auf, deren nichtadiabatische Kopplungen an andere Zustände meist nicht vernachlässigbar sind und oft verhindern, dass sich stabile Moleküle bilden. Wir mussten daher eigene theoretische Methoden entwickeln, um verlässliche Vorhersagen über stabile Makrodimerzustände zu treffen.8) Abbildung 2 zeigt das Ergebnis einer solchen Vorhersage: Rotverstimmt zum asymptotischen atomaren Zustand, in dem sich das eine Atom im 442P3/2- und das andere Atom im 452S1/2-Zustand befindet, weisen zwei Potenzialkurven ein Minimum auf. Eine Simulation des Photoassoziationsspektrums, das alle Wechselwirkungspotenziale und experimentellen Parameter berücksichtigt, sagt scharfe Resonanzen voraus, wenn die Verstimmung des Lasers relativ zur atomaren Asymptote der Dissoziationsenergie des Molekülzustands entspricht. Durch die Bildung vibrationsangeregter Moleküle haben die Resonanzen eine stark ausgeprägte Schulter. Das Experiment bestätigt diese Vorhersagen mit hoher Genauigkeit (Abbildung 2). Daher lassen sich die gemessenen Resonanzen eindeutig der Bildung von Makrodimeren mit Bindungslängen von mehr als einem Mikrometer zuordnen.2) Die Makrodimere autoionisieren innerhalb von etwa 2 μs. Dies überrascht nicht, da sich die Zustände im Ionisationskontinuum von Cs2+ und Cs + Cs+ befinden. Allerdings sagen theoretische Untersuchungen der nichtadiabatischen Dynamik der Dimere eine zehnmal längere Lebensdauer und Fluoreszenz als dominierenden Zerfallskanal vorher.8,9) Im Augenblick arbeiten wir daran, die spektrale Auflösung unserer Experimente zu erhöhen, um Moleküle in genau definierten Vibrationszuständen zu bilden. Die berechneten Schwingungsintervalle in der Größenordnung von 1 MHz liegen durchaus in der Reichweite moderner Präzisionsspektroskopie von Rydbergzuständen.10) Ein genaues Verständnis der Ionisationsdynamik der Makrodimere verspricht Einblicke in die nichtadiabatische Dynamik stark gekoppelter Quantensysteme. In unseren Gasproben beträgt der mittlere Teilchenabstand etwa 1 μm. Es ist daher wahrscheinlich, dass sich innerhalb des Orbits eines Rydbergelektrons ein Grundzustandsatom befindet. Enrico Fermi entwickelte im Jahr 1934 eine einfache theoretische Beschreibung dieses Systems, um die Druckverschiebung von Rydberglinien im Absorptionsspektrum von Natrium zu erklären.11,12) Für die Wechselwirkung des Elektrons mit dem neutralen Störer leitete er den Ausdruck: V = 2π a |Ψ(R)|2 her, wobei a die Streulänge und |Ψ(R)|2 die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons am Ort des Störers ist. Die Bindungsenergie des Rydbergelektrons ist daher erhöht oder erniedrigt, je nachdem ob die Streuung einen eher abstoßenden (positive Streulänge) oder einen eher anziehenden Charakter (negative Streulänge) hat. Die Gleichung sagt ein Wechselwirkungspotenzial voraus, das wie der Betrag der Wellenfunktion des Rydbergelektrons oszilliert (Abbildung 3) und das zu gebundenen Zuständen von Störer- und Rydbergatom führen kann. Eine Erweiterung des Fermi-Modells für höhere Streuenergien13) und deren Anwendung auf die Potenzialkurven von Alkali-Edelgas-Dimeren14) bestätigten diese Vorhersage ebenso wie quantenchemische Rechnungen.15) In der Elektronenstreuung an Alkaliatomen ist Singulett- oder Triplettkopplung der Elektronenspins mit sehr unterschiedlichen Streulängen möglich. Die Triplettstreulänge ist negativ und im Betrag groß, was zu gebundenen Zuständen führt.16,17) Die Singulettstreulänge hingegen ist sehr klein oder gar positiv und würde nicht zu gebundenen Zuständen führen. Berücksichtigt man jedoch den Kernspin des Grundzustandsatoms, ergibt sich ein anderes Bild: Die starke Kopplung von Elektronenspin und Kernspin des Grundzustandsatoms durch die Hyperfeinwechselwirkung führt zur Mischung der Zustände mit Singulett- und Triplettstreucharakter im Molekül. Es ergeben sich dadurch weitere bindende elektronische Zustände, die wir in unseren Experimenten zum ersten Mal beobachtet haben (Abbildung 3, S. 305).18) Eine Modellierung der Bindungsenergien von 30 beobachteten Schwingungszuständen, bei der nur die Singulett- und Triplettstreulängen angepasst wurden, lieferte die ersten experimentellen Werte für diese Streuparameter. Die vollständige Ab-initio-Berechnung dieser Streuparameter in Systemen mit vielen Elektronen wird in naher Zukunft nicht möglich sein. Daher sind solche experimentellen Daten die Grundlage dafür, Berechnungsmethoden zu verbessern, die etwa für die Modellierung der Elektron-Ion-Rekombination in kalten Plasmen oder interstellaren Gaswolken verwendet werden.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte eine starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erreicht werden. Diese ist notwendig für effiziente lineare und nichtlineare optische Effekte, wie sie für zukünftige optische Quanten-Netzwerke und Quanten-Simulationen erforderlich sind. Hierfür wurde ein eindimensionales Medium extremer optischer Dichte (OD) erzeugt. Das verwendete Rubidium-87 erzielte innerhalb einer Hohlfaser eine OD von 1000 auf einem offenen Übergang. Dieses Medium sollte auf der Basis von EIT kohärente Effekte wie Lichtspeicherung und stationäre Lichtpulse (SLPs) ermöglichen, welche in Quanten-Netzwerken Verwendung finden sollen. Diese Effekte wurden in dieser Arbeit erstmalig in einem solchen eindimensionalen Medium hoher OD realisiert. Dabei wurden auch die besonderen Eigenschaften eines Mediums hoher OD insbesondere aufgrund nicht-resonanter Übergänge untersucht. Zur Überprüfung der Messergebnisse wurden diese mit einer numerischen Simulation verglichen. Diese berücksichtigt nicht nur die Absorption der nicht-resonanten Übergänge, sondern auch die räumlich inhomogene Verteilung der Atome innerhalb der Faser sowie die Gauß-förmige Intensitätsverteilung der verwendeten Laserstrahlen. Dies war notwendig, um die Transmission durch das Medium und Auswirkungen auf die Gruppengeschwindigkeit im Medium korrekt zu simulieren, die sich deutlich von den sonst üblichen Fällen mit homogenem Medium unterscheiden. So tritt aufgrund des räumlich unterschiedlich starken Kontrollfeldes auch räumlich unterschiedliche Transmission unter EIT auf. Dies führt zu einer inhomogenen Verbreiterung und damit Reduzierung der Gesamttransmission. Zur experimentellen Umsetzung wurde eine bestehende magneto-optische Falle (MOT) zum Kühlen und Fangen von Rubidium-87 mit asymmetrischer Form verwendet. Die asymmetrische Form führte zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Atome in transversaler und longitudinaler Richtungen, was mittels Flugzeit-Messungen und temperaturabhängigem EIT mit gegenläufigen Strahlen gemessen wurde. Die MOT wurde um eine photonische Kristall-Faser mit Hohlkern (HCPCF) erweitert. Hierfür wurde eine Halterung mit Möglichkeiten zur Ausrichtung der Faser und ein System aus Optiken zur Ein- und Auskopplung von Laserstrahlen konstruiert. Zur Führung der Atome aus der MOT zur HCPCF wurde ein optischer Trichter auf Basis einer Dunkelpunkt-MOT erzeugt. Zur Steigerung der Transfereffizienz wurde eine Verschiebung der Wolke aus kalten Atomen mittels Magnetfeldern ergänzt. Zum Transfer in die Faser und zur Führung innerhalb des Hohlkerns wurde eine optische Dipolfalle implementiert. Das dafür verwendete Lasersystem wurde auf eine ausreichende Leistung und Frequenzstabilität untersucht. Dabei zeigte ein Betrieb mit zwei longitudinalen Moden eine Verbesserung der Transfereffizienz um einen Faktor 2–5. Mit der Kombination dieser Techniken wurden erfolgreich kalte Rubidiumatome von der MOT in den Hohlkern geladen. Zum Nachweis der Atome wurde deren Anzahl in der HCPCF mittels optischem Pumpen bestimmt und es wurden Transmissionsspektren aufgenommen. Diese belegen eine Anzahl von ca. 3∙10^5 Atomen und eine OD von bis zu 1000 in der Faser. Die erreichte Transfereffizienz von bis zu 5% liegt eine Größenordnung über dem Wert in früheren Ansätzen. Die verwendete HCPCF stellte sich als stark doppelbrechend heraus, was die Polarisation des transmittierten Lichts bereits auf den Abmessungen der Atomwolke deutlich verändert und daher das ursprünglich geplante EIT zwischen Zeeman-Zuständen unmöglich machte. Deshalb wurde ein polarisationsunabhängiges Kopplungsschema zwischen Hyperfein-Zuständen gewählt. Die beiden dafür nötigen Lasersysteme wurden mithilfe einer ebenfalls auf EIT basierenden Stabilisierungstechnik in Frequenz und Phase aufeinander stabilisiert. Das System wurde zunächst erfolgreich an Atomen außerhalb der HCPCF getestet. Dann wurden innerhalb des Mediums hoher OD die Bedingungen für EIT erzeugt, um einem schwachen Nachweisfeld eine Propagation mit reduzierter Absorption zu ermöglichen. Dabei wurden die starken Einflüsse der nicht-resonanten Übergänge auf Höhe und Position des Transmissionsfensters durch den Stark-Effekt untersucht. Die Ergebnisse ließen sich mit der Simulation bestätigen und zeigen die besonderen Eigenschaften des räumlich inhomogenen Mediums hoher OD in Form einer reduzierten Transmission. Dies ist die erste Realisierung von EIT bei OD > 30 in solch einem eindimensionalen Medium innerhalb einer Hohlfaser. Danach wurde die Verzögerung von Lichtpulsen durch das Medium hoher OD aufgrund reduzierter Gruppengeschwindigkeit (langsames Licht) untersucht. Dies diente der einfachen Bestimmung der OD und dem Auffinden geeigneter Parameter der OD und der Kontroll-Rabi-Frequenz für Lichtspeicherung und SLPs. Dabei konnte ein Lichtpuls bis um das Doppelte der Pulslänge verzögert werden, was sicherstellte, dass sich nahezu der gesamte Puls im Medium befand. Die nicht-resonanten Übergänge begrenzten dabei die erreichbare Transmission. Die Verzögerung der Lichtpulse entsprach aufgrund der inhomogenen Verbreiterung nicht den bekannten Werten in homogenem Medium, konnte aber mit der Simulation richtig beschrieben werden. Die hier gezeigten Experimente mit langsamem Licht stellen die erste Untersuchung bei OD > 30 im eindimensionalen Medium dar. Als nächstes wurden Lichtpulse im Medium als kohärente Überlagerung von Spin-Zuständen gespeichert. Diese Lichtspeicherung in einem atomaren Ensemble ist in später geplanten möglichen Anwendungen als Quanten-Speicher und Quanten-Repeater von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurde dabei eine absolute Speichereffizienz von 23 % erreicht. Wie Simulationsergebnisse zeigen, wäre ohne die Absorption durch nicht-resonante Übergänge eine höhere Effizienz möglich. Die im Experiment erreichte relative Effizienz von 60% (Anteil des langsamen Lichts, der gespeichert und wieder ausgelesen wurde) zeigt das theoretisch hohe Potential des Mediums als Quanten-Speicher. Es konnten Pulse für Speicherzeiten von bis zu 2,9 µs gespeichert werden, wobei hier neben der Dekohärenz besonders experimentelle Grenzen die messbare Zeit eingrenzten. Die Beschränkung der Speichereffizienz durch Zerfälle ist hauptsächlich durch die Bewegung der Atome gegeben. Hier ist also eine weitere Optimierung durch Kühlung der Atome möglich. Die hohe Absorption durch die nicht-resonanten Übergänge und der experimentell bedingte Untergrund durch den starken, kollinearen Kontrollstrahl begrenzten die verwendeten Nachweispulse auf ≥ 70 Photonen. Die gezeigte Lichtspeicherung stellt die erste Realisierung innerhalb einer Hohlfaser dar. Schließlich wurden im Medium stationäre Lichtpulse erzeugt. Diese sind nur bei hoher OD möglich und können zukünftig starke Wechselwirkungen zwischen einzelnen Photonen und eine erhöhte Wechselwirkungsdauer ermöglichen. Wie in früheren Experimenten gezeigt, erfordern SLPs in kalten Atomen eine Verstimmung zwischen den gegenläufigen Kontrollfeldern. Dies konnte hier nicht nur bestätigt werden, es zeigte sich auch, dass bei einem eindimensionalen Medium zusätzlich eine geringe Zweiphotonenverstimmung zwischen Nachweis- und Kontrollfeld zur Phasenanpassung erforderlich ist. Die erreichte Effizienz von 2,8(6)% liegt leicht unter früheren Realisierungen (ca. 5%), ist aber neben der nicht-resonanten Absorption zum Teil auf die räumlich stark inhomogenen EIT-Transmissionen aufgrund der dauerhaft aktiven Kontrollfelder zurückzuführen. Da ein direkter Nachweis der SLPs innerhalb der HCPCF noch nicht möglich ist, wurde das detektierte Signal nicht nur mit dem Signal von langsamem Licht bei gleichen Bedingungen verglichen, sondern auch mit einer Simulation überprüft. Diese zeigte gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten und sagt das Vorhandensein eines Lichtfeldes im Medium in der relevanten Zeit voraus. Eine Abhängigkeit des Signals von der Verstimmung der Kontrollfelder und der SLP-Dauer bestätigte ebenfalls die Existenz von SLPs. Dies ist die erste Realisierung von SLPs in einem eindimensionalen Medium.
Diese Arbeit befasst sich mit den Wechselwirkungen der Rydbergatome mit den Glasoberflächen. Sind diese zu stark zerfallen die Rydbergatome oder die Kohärenzen zu schnell und damit sind auch die gespeicherten Informationen verloren. Zur spektroskopischen Untersuchung der Atome wurde in dieser Arbeit eine Glaszelle entwickelt und mit Rubidium befüllt. Es wurde eine Referenzspektroskopie für die Zweiphotonenanregung in den Rydbergzustand entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Die Rydbergatome in der Glaszelle wurden mit einer EIT-Spektroskopie untersucht [MJA07]. Während die meisten Zustände starke Wechselwirkungen mit der Wand zeigen, wurde in dieser Arbeit ein Zustand identifiziert, der bis zu Atom-Wandabständen unter einem Mikrometer nur sehr geringe Wechselwirkungseffekte zeigt. In Kapitel 2 werden die grundlegenden Eigenschaften von Rydbergatomen vorgestellt. Ausgehend vom einfachsten Fall des Wasserstoffatoms wird auf die energetische Lage der Rydbergzustände bei Rubidium und Cäsium eingegangen und die Quantendefekttheorie vorgestellt. Abschließend wird das Verhalten in elektrischen Feldern (Stark Effekt) beschrieben. Kapitel 3 liefert die theoretischen Grundlagen für die EIT-Spektroskopie. Zuerst wird anhand eines Zweiniveausystems mittels Dichtematrixformalismus die Absorption von Licht beschrieben. Es wird auf Verbreiterungen in thermischen Atomen eingegangen und das System dann durch ein drittes Niveau und einen zweiten Laser (Coupling-Laser) erweitert. Hier spielt es für die Absorptionsspektren nun eine Rolle, welcher der beiden Laser gescannt wird. Beachtet man noch den Doppler-Effekt in thermischen Atomen, so erhält man sogar unterschiedliche Spektren für unterschiedliche Verhältnisse der Laserwellenlängen der beiden Laser. In Kapitel 4 werden die Wechselwirkungen zwischen einem Atom und einer sich in der Nähe befindenden Wand beschrieben. Kapitel 5 beschreibt die allgemeinen Teile des Aufbaus. In Kapitel 6 wird auf die Frequenzreferenz für die Zweiphotonenanregung eingegangen. Nach der Beschreibung des Aufbaus werden die Auswirkungen des Dopplereffekts beschrieben. Die Zuverlässigkeit der Referenz wird daraufhin bei der Verwendung als Stabilisierung experimentell überprüft. Bei den folgenden Simulationen für die Scanreferenz werden zwei Fälle für verschiedene Wellenlängenverhältnisse der beteiligten Laser unterschieden. Eine Kombination entspricht einem möglichen Anregungsweg in Rubidium, die andere mit umgekehrtem Wellenlängenverhältnis einem in Cäsium. Anschließend wird die Übereinstimmung mit einem gemessenen Referenzspektrum gezeigt. Kapitel 7 beinhaltet den Aufbau für die Mikrozellen und die daran durchgeführten Messungen. Neben einer Abschätzung der zu erwartenden Linienbreiten ohne die Wandwechselwirkung werden Vergleichsmessungen zwischen verschiedenen Rydbergzuständen gezeigt. Es wird versucht, diese Spektren durch elektrische Felder und Polaritonen (Anregungen in den Wänden) zu erklären. In Kapitel 8 werden die Beobachtungen nochmals zusammengefasst, interpretiert und ein Ausblick auf weitere mögliche Schritte gegeben.
Die Entwicklung der Methoden zur Laserkühlung von Atomen hat in den letzten 15 Jahren vielfältige wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Ein sich dabei in den letzten Jahren neu entwickelndes Feld ist die Kombination der Laserkühlung mit der zustandsselektiven Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände. Ein solches System wird als "gefrorenes Rydberg-Gas" bezeichnet. Dieser Name reflektiert die Tatsache, dass die Experimente mit diesen gekühlten Atomen auf einer Zeitskala ablaufen, auf der die thermische Bewegung zu vernachlässigen ist und nur die Wechselwirkung der Atome untereinander relevant ist. Gelingt es, solche kalten Rydberg-Atome in periodischen Potentialen zu speichern, so ergeben sich Möglichkeiten, dieses System für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) zu nutzen. Zur Untersuchung solcher Systeme wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau konzipiert und realisiert. Die dazu aufgebaute Apparatur wurde charakterisiert, indem Untersuchungen zur Laserkühlung von aus einem Dispenser emittierten 87Rb-Atomen in einer magneto-optischen Falle (MOT) durchgeführt wurden. Die hierbei gekühlten Atome wurden anschließend in eine Magnetfalle in Drahtfallengeometrie transferiert und konnten dort magnetisch gespeichert werden. Zur Speicherung von ultrakalten Atomensembles in periodischen Strukturen wurden die Möglichkeiten untersucht, aus periodisch angeordneten stromtragenden Leitern ein Gitter von zwei Magnetfallentypen (Quadrupol- und Ioffe-Pritchard-Fallen) zu konstruieren. Hierzu wurden aufbauend auf einzelnen Segmenten die Möglichkeiten der Konstruktion von Gittern untersucht. Diese Gitter erlauben es, drei verschiedene Grundkonfigurationen von Fallen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzubauen, die theoretisch erläutert werden. Dabei wird auch eine experimentelle Realisierung solcher Gitter mit Quadrupol-Fallen vorgestellt. Hierbei wurde ein Gitter von 4 MOTs experimentell realisiert und untersucht. Im letzten Teil der Arbeit werden Experimente zur 2-Photonen Rydberg-Anregung und hochauflösenden Rydberg-Spektroskopie von 87Rb-Atomen vorgestellt. Hierbei wird zunächst das verwendete Anregungs- und Detektionsschema der Atome erläutert, gefolgt von Untersuchungen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lasersytems zur Rydberg-Anregung. Hierzu wurden hochauflösende Spektren in der Umgebung der beiden 41D-Feinstrukturzustände von 87Rb in Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufgenommen und die feldabhängige Aufspaltung der Zustände untersucht. Zur Realisierung der erläuterten Schemata zur QIV ist es nötig, einzelne oder Ensembles von Atomen gezielt orts- und zustandsselektiv in Rydberg-Zustände anregen zu können. Erste Demonstrationsexperimente hierzu werden präsentiert. Abschließend wird über die Messung der Rabifrequenz durch Untersuchung der Autler-Townes-Aufspaltung des an das Lichtfeld gekoppelten 5S1/2->5P3/2-Übergangs berichtet.
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.
Diese Arbeit hat zum Ziel, auf der Grundlage ausführlicher Simulationsrechnungen eine zweidimensionale Falle für neutrale Atome basierend auf elektrischen Wechselfeldern aufzubauen und das Fallenprinzip an kalten metastabilen Heliumatomen bzw. Rubidiumatomen zu demonstrieren. Mit dieser Art von Atomfallen ist geplant, gezielt Stöße ultrakalter neutraler Atome zu untersuchen. Diese sollten unabhängig von äußeren Feldern vor dem Stoß präpariert werden können, um Stoßquerschnitte in Abhängigkeit von der Spinausrichtung der Atome bestimmen zu können. Das eigentliche Element, an dem diese Untersuchungen durchgeführt werden sollen, ist das metastabile Heliumatom. Der Einfluß der elektrischen Felder auf neutrale Atome wird allerdings zu Testzwecken des Fallenaufbaus und der eingesetzten Hochspannungsschalter in Experimenten am Element Rubidium durchgeführt. Die experimentellen Voraussetzungen für die Speicherung neutraler Atome in elektrischen Feldern, das Bereitstellen ausreichend kalter Teilchenensemble, ist durch den Aufbau und Betrieb von magneto-optischen Fallen für metastabiles Helium und Rubidium gegeben. Die in der Arbeit vorgestellte elektrische Falle wird zuerst theoretisch behandelt. Die Bewegungsgleichungen für neutrale Atome in elektrischen Wechselfeldern werden aufgestellt, woraus sich Aussagen über die Stabilitätsbereiche ableiten lassen. Ebenso kann ein Ausdruck für die Fallentiefe hergeleitet werden. Die maximalen Fallentiefen ergeben sich für He* zu 32MHz bei einer Spannung von +/-15kV und einer Frequenz von 1100Hz und für Rubidium zu 12MHz bei U=+/-9kV und f=150Hz. Anschließende numerische Simulationen zur Speicherung eines kalten Rubidiumensembles zeigen auf, unter welchen Bedingungen eine effiziente Speicherung möglich ist. Als Ergebnis ist festzuhalten, daß bei Spannungen von U_0=+/-9000V bei einer Fallenfrequenz von f=200-250Hz ein Anteil von mehr als 7% der in der MOT gespeicherten Rubidiumatome in die elektrische Falle übertragen werden könnte. Die dabei erreichbaren Fallentiefen betragen 32 - 45µK. Der Einfluß der Gravitation kann durch eine konstante zusätzliche Spannung U_add, die an die oberen Elektroden angelegt wird, ausgeglichen werden. Die für die Realisierung der elektrischen Falle konzipierten Hochspannungsschalter und die eingesetzte Elektrodenstruktur werden detailliert beschrieben. Erste Hinweise auf das zweidimensionale Speichern von Rubidium in elektrischen Wechselfeldern liefern Messungen, die dokumentieren, daß durch den Betrieb der elektrischen Falle über einen Zeitraum von 16ms deutlich mehr Atome nachzuweisen sind, als die freie Expansion der Atomwolke zeigt. Aus den Daten geht hervor, daß mit der elektrischen Falle noch rund 15% der nach 2ms nachgewiesenen Atome vorhanden sind, während nach der selben Zeit, aber mit statischen elektrischen Feldern nur noch rund 5% nachzuweisen sind. Als Fallenparameter dienen dabei die aus den Simulationsrechnungen hervorgehenden Werte für die Spannungen - U_0=+/-9kV, U_add=+800V an den oberen beiden Fallenstäben zum Gravitationsausgleich - bei einer Frequenz von f=250Hz. Das Meßergebnis wird schließlich im Vergleich zu Simulationsergebnissen betrachtet und etwaige Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert. Als Anwendungsmöglichkeit des hier präsentierten Fallenprinzips wird das Konzept eines Speicherrings für neutrale Atome zur Untersuchung ultrakalter Stöße vorgestellt.