Kohärente Kontrolle von Rydberg-Wellen-Paketen

Das Projekt hat die Entwicklung von neuartigen "Designer"-Wellen-Paketen in hochangeregten Rydberg- Zuständen mithilfe von klassischen, semiklassischen und quanten-mechanischen Methoden zum Ziel. Solche Wellen-Pakete stellen ein ausgezeichnetes Instrument zur Erforschung des Übergangs von der quantenmechanischen zur klassischen Dynamik, für die Erzeugung von atomaren Zuständen von mesoscopischer Größe und für die nicht-lineare Dynamik dar. Rydberg-Wellen-Pakete können mit bemerkenswerter Präzision im Labor erzeugt und beobachtet werden. Das bietet neue Möglichkeiten, Wellen-Pakete mit ungewöhnlichen räumlichen und zeitlichen Eigenschaften zu erforschen. Elektrische Felder, insbesondere Sequenzen von "half- cycle" Pulsen sowie Mikrowellenstrahlung erlauben die Manipulation von Rydberg-Zuständen mit hohem n. In diesem Projekt werden genetische Algorithmen und optimale Kontroll-Theorie eingesetzt, um Protokolle für die Anregung und die Manipulation von Wellen-Paketen theoretisch zu entwickeln und ihre kohärente Zeitentwicklung und ihren dekohärenten Kollaps zu studieren. Geplant ist unter anderem die : Erzeugung von "Designer" Wellen-Paketen mit beispiellos hohem n und Größe Erzeugung von Wellen-Paketen in einem Atom, die die erste Realisation von intraatomaren Aharonov- Bohm-Interferenzen erlauben Erzeugung der bislang nicht nachgewiesene planetarischen Atome bestehend aus doppelt angeregten Rydberg-Zuständen sowie die Anregung von Paaren von Rydberg-Atomen und von Rydberg-Mehrkörper-Zuständen, um die zeitabhängige Rydberg-Rydberg-Wechselwirkungen und die Dipolblockade zu studieren.

Nicht-stationäre hochangeregte atomare Zustände, sogenannte Rydberg Wellenpakete, sind von großer konzeptioneller Bedeutung für das Studium des Überganges von Quantenphysik zur klassischen Physik. Mithilfe von Rydberg Wellenpaketen lassen sich fundamentale Fragestellungen zur ultraschnellen elektronischen Dynamik, zur Dephasierung und zur Dekohärenz untersuchen. Rydberg Atome sind auf der atomaren Skala betrachtet riesig und können eine makroskpische Dimension ( 0,1 mm) erreichen. Im Rahmen dieses Projekts wurde in enger Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe von F.B. Dunning (Rice University, Houston, USA) zahlreiche Protokolle zur Erzeugung und Manipulation von Rydberg Wellenpaketen entwickelt mit dem Ziel, fundamentale Konzepte der Quantenphysik zu testen und zu implementieren. Ein viel beachtetes Beispiel war die erstmalige Realisierung des Bohrschen Atommodells knapp 100 Jahre nach seiner Erfindung: ein lokalisiertes Elektron umrundet den Kern auf einer Kreisbahn. Quanteneffekte wie Dephasierung und das Zerfließen des Wellenpakets können durch Anwendung eines synchronisierenden elektrischen Feldes unterdrückt werden. Das zugrundeliegende Protokoll ist dem Konzept der trajanischen Asteroiden in der Astronomie nachempfunden. So gelingt es, die planetenähnliche Orbitalbewegung des Elektrons für tausende Umrundungen um den Kern zu stabilisieren. Dieser Fortschritt, der nahezu zeitgleich mit dem 100-jährigen Geburtstag von Niels Bohrs Atommodell erzielt wurde, fand eine breite öffentliche Beachtung, unter anderem in Spektrum der Wissenschaft (März 2014). Von großem konzeptionellem Interesse und wichtig als Ausgangspunkt für elaborierte Protokolle für die Manipulation und Steuerung von Wellenpaketen ist auch die Erzeugung von Atomen mit extrem großen Dipolmomenten von bis zu 100.000 Debye. Atome im Grundzustand weisen typischerweise sphärische Symmetrie auf. Die elektronische Ladungswolke ordnet sich kugelförmig um den Kern an. Im Kontrast dazu können hochangeregte Rydberg Atome hochgradig polarisiert sein. Wir haben ein Protokoll entwickelt und implementiert, mit dem Zustände in Alkali- und Erd-Alkali-Atomen erzeugt werden, bei denen das äußere Elektron um viele tausend Ångström nach einer Seite hin gegenüber dem Kern ausgelenkt ist. Ähnliche, wenn auch weniger starke Polarisationseffekte, wurden auch für Fullerene und für den korrelierten Prozess von gleichzeitiger Ionisation und Anregung in Helium gefunden. Eine wichtige Anwendung der hohen Polarisierbarkeit von Rydberg-Zuständen ist die Realisierung der sogenannten Dipolblockade, die multiple Anregungen im atomaren Ensemble unterdrückt. Wir konnten für sehr hochangeregte Rydbergzustände (n = 300) erstmals solche Blockade-Effekte auf einer makroskopischen Längenskala ( 0,1 mm) demonstrieren.