In dieser Arbeit wurde die Paarabstandsvertreilungen von kleinen Edelgasdimeren gemessen und deren Bindungsenergie bestimmt. Die Auswertung des Heliumdimers 4He2 zeigt die enorme räumliche Ausdehnung des Grundzustands und die berechnete Bindungsenergie weicht um etwa zehn Prozent vom Literaturwert ab. Die Messung des Neondimers 20Ne2 hatte nicht genug Ereignisse detektiert um eine Bindungsenergie bestimmen zu können. Mithilfe dieses Experimentes sollte vor allem das heteronukleare Helium-Neon-Dimer untersucht werden. Die Auswertung dieses Dimers zeigt, dass sowohl 4He20Ne als auch 4He22Ne detektiert wird. Die Abstandsverteilung der beiden Dimere unterscheidet sich vornehmlich in der Anzahl der detektierten Dimere, während ihre Wellenfunktion nahezu identisch ist. Beim Vergleich mit den theoretischen Daten zeigt sich, dass beide Dimere im Grundzustand mit J = 0 vorliegen. Die Abweichungen zwischen den Bindungsenergien der Dimere zum theoretischen Wert liegen bei etwa acht Prozent. Um weitere Aspekte des Helium-Neon-Dimer zu untersuchen, könnten bei zukünftigen Messungen die Auswirkungen eines Laserpulses, analog zum Helium-Dimer, untersucht werden. Es wäre interessant zu betrachten, wie dieses System auf die Störung reagiert und ob es zu einer Überlagerung der Rotationszustände kommt.
In dieser Arbeit wurde die Paarabstandsvertreilungen von kleinen Edelgasdimeren gemessen und deren Bindungsenergie bestimmt. Die Auswertung des Heliumdimers 4He2 zeigt die enorme räumliche Ausdehnung des Grundzustands und die berechnete Bindungsenergie weicht um etwa zehn Prozent vom Literaturwert ab. Die Messung des Neondimers 20Ne2 hatte nicht genug Ereignisse detektiert um eine Bindungsenergie bestimmen zu können. Mithilfe dieses Experimentes sollte vor allem das heteronukleare Helium-Neon-Dimer untersucht werden. Die Auswertung dieses Dimers zeigt, dass sowohl 4He20Ne als auch 4He22Ne detektiert wird. Die Abstandsverteilung der beiden Dimere unterscheidet sich vornehmlich in der Anzahl der detektierten Dimere, während ihre Wellenfunktion nahezu identisch ist. Beim Vergleich mit den theoretischen Daten zeigt sich, dass beide Dimere im Grundzustand mit J = 0 vorliegen. Die Abweichungen zwischen den Bindungsenergien der Dimere zum theoretischen Wert liegen bei etwa acht Prozent. Um weitere Aspekte des Helium-Neon-Dimer zu untersuchen, könnten bei zukünftigen Messungen die Auswirkungen eines Laserpulses, analog zum Helium-Dimer, untersucht werden. Es wäre interessant zu betrachten, wie dieses System auf die Störung reagiert und ob es zu einer Überlagerung der Rotationszustände kommt.
In diesem Experiment wurde der Einfluss eines starken Laserfeldes auf den Grundzustand des Heliumtrimers untersucht. Die Auswertung der Messung zeigt, dass der Grundzustand der Heliumtrimere wie erwartet keine präferierte geometrische Struktur hat und als loses Dreieck detektiert wurde. Bei einer Wechselwirkung der Heliumtrimere mit dem Pump-Puls findet eine Dissoziation des Trimers statt. Eine Detektion des Efimov-Zustandes ist nicht gelungen. Dies liegt zum einen an dem großen Hintergrundsignal, welches schon bei der Messung mit dem geschlossenem Shutter erkennbar war, und zum anderen an der Tatsache, dass sich bei der Messung mit offenem Shutter die dissoziierenden Heliumtrimere auch in dem Bereich, in dem der Efimov-Zustand gemessen werden kann, befinden. Um den Efimov-Zustand messen zu können, müsste bei zukünftigen Messungen das Hintergrundsignal verringert werden. Zudem könnte man eine größere Verzögerungszeit, von 2 ns, zwischen den Pump-Puls und dem Probe-Puls wählen. Dann sollten die dissoziierenden Trimere so groß werden, dass diese sich noch näher zum Ursprung verschieben werden.
In dieser Masterarbeit wird die Reaktion von 4He-Trimeren auf starke 800 nm Laserfelder untersucht. Dazu wird ein COLTRIMS-Reaktionsmikroskop mit einem Pump-Probe-Aufbau verwendet, der eine zeitliche Auflösung der Reaktion ermöglicht. Im COLTRIMS-Reaktionsmikroskop wird der wenige mK kalte Heliumstrahl durch Beugung an einem Gitter aufgespalten. Auch die Messung der Beugung des Heliumstrahls wird in dieser Arbeit vorgestellt. Für das Pump-Probe-Experiment wird ein Maximum erster Ordnung der Heliumtrimere in den Laserfokus gesetzt, um bei der Untersuchung der Heliumtrimere möglichst wenig Störsignal zu erhalten. Die Messung ist vergleichbar mit der in [3] durchgeführten Messung. Jedoch wird ein veränderter optischer Aufbau verwendet, dessen Charakterisierung ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt wird. Die in [3] gemessene Ausrichtung der Heliumtrimere am Laserfeld und deren Ausbreitung als Welle konnte erneut gemessen werden. In dieser Arbeit wird festgestellt, dass sich die theoretische Vorhersage für Ausrichtungswellen des Heliumdimers besser mit den gemessenen Ausrichtungswellen des Heliumtrimers deckt, wenn die Ausrichtung des Trimers gegen den kleinsten Paarabstand im Trimer aufgetragen wird - nicht gegen den Hyperradius. Das könnte darauf hindeuten, dass innerhalb des dissoziierenden Heliumtrimers Anregungen von Heliumatompaaren beispielsweise in einen 퐽=2-Zustand stattfinden, die sich ihrerseits dann am Laserfeld ausrichten. Die Übereinstimmung ist allerdings nicht sehr genau und der Zusammenhang rein hypothetisch. Ein Efimov-Heliumtrimer konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht gemessen werden. Um sicherer aussagen zu können, ob mit dem hier verwendeten Pump-Probe-Aufbau Efimov-Trimere aus Heliumtrimeren im Grundzustand erzeugt werden können, sind Verzögerungen zwischen Pump- und Probe-Puls von deutlich über den hier maximal verwendeten 900 ps notwendig. Der ebenfalls in [3] gemessene angeregte gebundene Zustand konnte in dieser Arbeit nicht gemessen werden. Dies festigt jedoch die in [3] geäußerte These, dass es sich um ein ionisiertes Heliumtrimer gehandelt haben könnte, denn im experimentellen Aufbau dieser Arbeit wird ein weniger intensiver Pump-Puls verwendet, sodass Ionisationen weniger wahrscheinlich sind. Theoretische Ab-initio-Berechnungen für die Anregung von Heliumtrimeren in starken Laserfeldern liegen noch nicht vor. Für eine bessere Interpretation der hier vorgestellten Messergebnisse sind solche theoretischen Betrachtungen allerdings essentiell.
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.
Im Rahmen der vorgestellten Diplomarbeit wurde eine Düsenstrahlquelle zur Erzeugung von Helium-3-Tröpfchen konstruiert und getestet. Sie ermöglicht es, Temperaturen bis zu 8K zu erreichen. Somit können sowohl Helium-3-Tröpfchen, die eine Düsentemperatur von 11 - 13K benötigen, als auch sehr große Helium-4-Tröpfchen (N > 10^6) erzeugt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Einfluss der suprafluiden Helium-4-Tröpfchen auf angelagerte Fremdteilchen im Gegensatz zu dem der normalfluiden Helium-3-Tröpfchen zu untersuchen.\nDer erste Teil der Arbeit besteht in der Charakterisierung der neuen Quelle. Im Verhalten des Heliumflusses durch die Düse zeigt sich eine Abweichung von der Theorie bei sehr tiefen Düsentemperaturen, er nimmt nicht mehr proportional zu 1/T^(1/2) zu. Die Ursache dieser Abweichungen ist nicht verstanden. Als nächster Schritt wurde das bekannte Spektrum von mit Natrium dotierten Helium-4-Tröpfchen vermessen und die Tröpfchengrößenabhängigkeit diskutiert. Dabei wurde die Methode der Laserinduzierten Fluoreszenz verwendet.\nDes weiteren wurde gezeigt, dass mit der aufgebauten Clusterquelle Helium-3-Tröpfchen erzeugt werden können. Ein Spektrum von mit Na dotierten Helium-3-Tröpfchen wurde aufgenommen und mit dem entsprechenden Helium-4-Spektrum verglichen. Sie zeigen starke Ähnlichkeiten, wie es im Wesentlichen durch die Rechnungen von M. Pi et al. vorhergesagt wurde [Physical Review Letters, Surface location of sodium atoms attached to ^3He nanodroplets, eingereicht]. Daraus folgt, dass Helium-3-Tröpfchen mit einer ähnlichen Effizienz wie die Helium-4-Tröpfchen mit Alkaliatomen dotiert werden können, und dass sich die Alkaliatome auf Helium-3-Tröpfchen ähnlich wie auf Helium-4-Tröpfchen verhalten. Sie sind auf der Oberfläche gebunden und es bilden sich Exziplexe bei elektronischer Anregung. Das Maximum der Absorption ist im Fall von Helium-3 leicht zu höheren Energien verschoben. Die niederenergetische Stufe, die sich im Spektrum des Natrium-dotierten Helium-4-Tröpfchens findet, ist im Spektrum von mit Natrium dotierten Helium-3-Tröpfchen nicht vorhanden. Dies verstärkt die Vermutung, dass sie im Fall von Helium-4 aus einem Zustand resultiert, der mit der suprafluiden Eigenschaft der Helium-4-Tröpfchen zusammenhängt.\nAbschließend werden am Max-Born-Institut in Berlin durchgeführte Messungen vorgestellt, die zeigen, dass es möglich ist, Femtosekunden-Pump-Probe-Messungen von Alkali-dotierten 3He-Tröpfchen durchzuführen. Obwohl die Helium-3-Tröpfchen im Gegensatz zu den Helium-4-Tröpfchen normalfluid sind, zeigen sich bei der Untersuchung der Oberflächendynamik sowie in der Bildung von Exziplexen nur geringe Unterschiede.
Bei der atomaren und molekularen Photoionisation werden Elektronen und Ionen erzeugt, die mit Flugzeitspektroskopie hinsichtlich des Wirkungsquerschnitts und der Winkelverteilung untersucht werden können. Die Elektronenwinkelverteilungen von beiden Ionisationsstufen bei der sequentiellen Doppelionisation in Edelgasen werden in einem Photonenenergiebereich von 38 - 91 eV analysiert. Die Winkelabhängigkeit der emittierten Photoelektronen wird durch die Drehimpulsübertragung vom Photon an das Elektron verursacht. Bei der Doppelionisation durch zwei Photonen führt der totale Drehimpulstransfer zu einem Legendre Polynom vierter Ordnung. Dieser sogenannte \beta_4-Term hat einen Gewichtungsfaktor, der durch das Alignment des in der ersten Ionisationsstufe erzeugten Ions gegeben ist. Interessanterweise zeigt sich, dass dieser zusätzliche Term nicht nur die Winkelverteilung der zweiten Stufe beeinflusst, sondern ebenfalls die der ersten, die durch nur ein Photon erzeugt wird, was auf eine kohärente Koppelung beider Prozesse schließen lässt. Dieser Effekt wird für die Zwei-Photonen-Doppelionisation der Edelgase Neon, Argon und Krypton gezeigt, wobei die Messungen am FLASH in einer Kugelkammer mit 19 unabhängig voneinander arbeitenden Elektronenflugzeitspektrometern ausgeführt wurden. Die Winkelverteilung von 1s-Schalen-Photoionisation in Helium sollte kein \beta_4-Verhalten aufweisen, da sowohl das neutrale Atom wie auch das einfach geladene Ion eine isotrope Elektronenverteilung haben, was durch Messungen bei 79 eV und 91 eV bestätigt wird. Jedoch wird bei einer Photonenenergie von 61 eV in beiden Stufen ein starker \beta_4-Effekt beobachtet. Dieses unerwartete Ergebnis wird als induziert durch eine autoionisierende Doppelanregungsresonanz in Helium interpretiert. Da bei den FEL-Experimenten sehr große Datenmengen aufgenommen werden, wurde eine auf CUDA basierende Auswertungs- und Visualisierungssoftware entwickelt, die detailliert diskutiert wird. Die Analogie von homonuklearen zweiatomigen Molekülen zu dem Young'schen Doppelspaltexperiment war Gegenstand vieler wissenschaftlicher Photoionisationsuntersuchungen. Ein Beispiel sind Wirkungsquerschnittoszillationen in der Photoionisation von N2, die von Cohen und Fano als Interferenzerscheinung interpretiert wurde. Diese Zwei-Zentren-Interferenz wird durch Nichtlokalität der Elektronen in einem homonuklearen Molekül verursacht. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung relativer Wirkungsquerschnittoszillationen im Wasserstoffmolekül H2 über einen weiten Photonenenergiebereich (29 - 1200 eV). Dabei wird zwischen dem zufällig im Raum verteilten Molekül und dem orientierten Target, bei dem die Orientierung der Molekülachse zu dem Polarisationsvektor des Lichts bestimmt wird, unterschieden. Ein Übergangseffekt von zufällig verteilten zu orientierten Targeteigenschaften wird beobachtet, wenn die de Broglie Wellenlänge des Photoelektrons die Molekülbindungslänge auflöst. Die durch den \beta_m Parameter beschriebene Winkelverteilung der Ionenfragmente wird analysiert und als Grund für den Übergangseffekt bestimmt. Bei hohen Photonenenergien konvergiert der \beta_m Parameter gegen -1, was eine bevorzugte Orientierung des Moleküls zur Polarisationsachse für den Ionisationsvorgang zur Folge hat. Es wurden mehrere Varianten von Ionenflugzeitdetektoren mit der Option auf Koinzidenzbetrieb mit einem Elektronenflugzeitspektrometer benutzt. Die Experimente wurden bei BESSY II und PETRA III ausgeführt. Ein gleichartiger Übergangseffekt wird in Innerschalenionisationdaten von N2 beobachtet.
Diese Arbeit befasst sich mit der störungstheoretischen Berechnung von zweidimensionalen Photonen-Echo-Spektren für das elektronische und vibronische Modell eines Homo- und Hetero-Dimers sowie für ein vibronisches Modell eines Monomers unter dem Einfluss einer System-Bad-Wechselwirkung. Bei der Analyse der Dimerspektren steht neben der Orientierungsmittelung der Polarisation dritter Ordnung der Unterschied zwischen elektronischen und vibronischen Spektren sowie der Vergleich der Spektren von Homo- und Hetero-Dimeren im Zentrum des Interesses. Bei der Analyse der Monomer-Spektren steht die Behandlung einer dissipativen Dynamik bzw. des vibrational-coolings innerhalb eines stochastischen Ansatzes im Vordergrund. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die störungstheoretische Berechnung der Polarisation dritter Ordnung in Dimeren. Dabei werden alle Aspekte und Ergebnisse für verschiedene Geometrien der Übergangsdipolmomente analysiert und diskutiert. Die Berechnungen berücksichtigen dabei auch die zufällige Anordnung der Moleküle in der Probe. Die Zusammenhänge zwischen den 2D-Spektren und den Eigenschaften der Monomereinheiten, die Abhängigkeit der Intensitäten mancher Peaks von der zeitlichen Abfolge der Pulse sowie der Einfluss der elektronischen Kopplung und verschiedener Übergangsdipolmomente ermöglichen ein grundlegendes Verständnis der elektronischen Photonen-Echo-Spektren. Im elektronischen Dimer wird der Hetero-Dimer-Charakter durch verschiedene Monomeranregungsenergien sowie unterschiedliche Übergangsdipolmomente der Monomereinheiten bestimmt. Der Einfluss dieser Größen auf die Photonen-Echo-Spektren kann durch die Kombination einer detaillierten analytischen Betrachtung und numerischen Rechnungen anschaulich nachvollzogen werden. In der vibronischen Betrachtungsweise zeigt sich, dass die Spektren deutlich an Komplexität gewinnen. Durch die Vibrationsfreiheitsgrade vervielfachen sich die möglichen Übergänge im System und damit die möglichen Peakpositionen im Spektrum. Jeder Peak spaltet in eine Vibrationssubstruktur auf, die je nach ihrer energetischen Position mit anderen überlagern kann. Der Vergleich zwischen Homo- und Hetero-Dimer-Spektren wird durch die Wahl verschiedener Vibrationsfrequenzen und unterschiedlicher Gleichgewichtsabstände entlang der Vibrationskoordinaten erweitert. Die Berechnung des Orientierungsmittels erfolgt mit zwei verschiedenen Ansätzen. Zum einen wird das Mittel durch den numerischen sampling-Ansatz berechnet. Dabei werden Azimutal- und Polarwinkel in kleinen Winkelinkrementen abgetastet und für jede Kombination ein 2D-Spektrum berechnet. Die Einzelspektren werden anschließend gemittelt. Diese Methode erweist sich im Dimer als sehr effektiv. Zum anderen erlaubt die analytische Auswertung der Polarisation dritter Ordnung, das gemittelte Spektrum direkt in einer einzelnen Rechnung durch winkelgemittelte Gewichtungsfaktoren zu bestimmen. Bei der Berechnung der elektronischen 2D-Spektren ist diese Methode sehr leistungsfähig, da alle Ausdrücke analytisch bekannt sind. Für vibronische Systeme ist dieser Ansatz ebenfalls sehr leistungsstark, benötigt aber eine einmalige aufwendige Analyse vor der Berechnung. Trotz der deutlich erhöhten Anzahl an Zustandsvektoren, die propagiert werden müssen, ist diese Methode circa zweimal schneller als die direkte Mittelung mit der sampling-Methode. Im zweiten Teil konzentriert sich die Arbeit auf die Beschreibung eines Monomers, das sich in einer dissipativen Umgebung befindet. Dabei wird auf die Lösung einer stochastischen Schrödingergleichung zurückgegriffen. Speziell wird die sogenannte quantum-state-diffusion-Methode benutzt. Dabei werden nicht nur die Erwartungswerte für die Energie und den Ort, sondern auch die Polarisation dritter Ordnung – eine phasensensitive Größe – bestimmt. In der theoretischen Fragestellung wird dabei, ausgehend von der von-Neumann Gleichung, die Zeitentwicklung der reduzierten Dichtematrix durch die Integration einer stochastischen zeitabhängigen Schrödingergleichung reproduziert. In Rechnungen koppelt die Stochastik über die Erwartungswerte von Ort und Impuls die verschiedenen störungstheoretischen Korrekturen der Wellenfunktion miteinander. Die Spektren, die aus den numerischen Simulationen erhalten werden, spiegeln das dissipative Verhalten des Systems detailliert wider. Eine Analyse der Erwartungswerte von Ort und Energie zeigt, dass sich die einzelnen elektronischen Zustände wie gedämpfte harmonische Oszillatoren verhalten und jeweils einen exponentiellen Zerfall abhängig von der Dissipationskonstante zeigen. Dieser Teil der Arbeit erweitert vorausgehende Untersuchungen, bei denen ein vereinfachter Ansatz zu Einsatz kam, der die korrelierte Stochastik nicht berücksichtigte.