Rydberglabor
In unserem Labor stehen sowohl die elementaren Wechselwirkungen zwischen Rydbergatomen untereinander und mit Grundzustandsatomen im Fokus als auch die Vielteilcheneffekte, die hieraus resultieren. Rydbergatome sind Atome, die in einen Zustand hoher Hauptquantenzahl angeregt sind. Durch den großen Bahnradius des Valenzelektrons hat das Atom außergewöhnliche Eigenschaften wie eine enorme geometrische Größe und eine daraus resultierende sehr hohe Polarisierbarkeit. Polarisieren sich zwei Rydbergatome gegenseitig, kommt es zur Van-der-Waals-Wechelwirkung, deren Stärke mit der zwölften Potenz der Hauptquantenzahl skaliert. Daher wird die Wechselwirkung zwischen zwei Rydbergatomen schnell so stark, dass sie noch auf einer Mikrometer-Skala die Dynamik ultrakalter Atome dominert.
Durch die enorme Größe von Rydbergatomen kommt es in Gasen vor, dass sich ein weiteres Grundzustandsatom im Aufenthaltsbereich des Rydbergelektrons befindet. Die resultierende Streuung des Rydbergelektrons am Grundzustandsatom führt zu einer abstandsabhängigen Wechselwirkung, die es erlaubt, zwischen einem Rydbergatom und einem Grundzustandsatom neuartige Moleküle zu bilden. Diese sogenannten Rydbergmoleküle haben Bindungslängen, die mehrere Größenordnungen oberhalb der Größen klassischer Moleküle liegen. Obwohl sie homonuklear sind, besitzen sie zum Teil enorm große elektrische Dipolmomente. Rydbergmoleküle lassen sich in verschiedene Klassen unterteilen, die vom Zustand des Rydbergelektrons abhängen. Im Bild rechts ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Rydbergelektron für ein sogenanntes Butterflymolekül zu sehen.
Die Wechselwirkung zwischen mehreren Rydbergatomen erlaubt es, interessante quantenmechanische Wechselwirkungen zu untersuchen. Der grundlegendste Effekt ist hierbei die Rydbergblockade. Diese beschreibt, dass innerhalb eines Volumens um eine bestehende Anregung die Übergangsfrequenz für weitere Rydberganregungen verschoben wird. Dadurch gibt es einen Mindestabstand für die Anregung von Rydbergatomen. Dieser Effekt wird inzwischen für erste Anwendungen im Bereich des Quantencomputing und der Quantensimulationen genutzt. Ein aktives Forschungsfeld von uns bildet die zeitliche Dynamik, mit der Rydberganregungen im System entstehen und sich epidemieartig fortpflanzen. Hieran untersuchen wir grundlegende Fragestellungen zum Thema Kritikalität und Universalität in Vielteilchenquantensystemen.
Technisches
Unsere Experimente finden in einer Hochvakuumkammer bei Drücken um 10-10 mbar statt. Wir präparieren 87Rb Atome bei Temperaturen von 10 nK bis mehreren µK über einen mehrstufigen Prozess. Dabei verwenden wir eine magnetooptische Falle (MOT) und anschließend evaporatives Kühlen in einer optischen Dipolfalle. Auf diese Weise können wir Bose-Einstein-Kondensate (BEC) von rund 100.000 Atomen erzeugen.
Im Labor stehen zwei unabhängige Lasersysteme zur Anregung von Rydbergzuständen zur Verfügung. Mit einem Laser im UV-Bereich bei 295-300 nm können Rydberg P-Zustände adressiert werden. Über einen zwei-Photonen Prozess mit Lasern bei 420 nm und 1010-1030 nm regen wir Rydberg S- und D-Zustände an.
Als Messignale nutzen wir zum einen eine Absorptionsabbildung. Außerdem können wir Ionen zeitaufgelöst detektieren, die durch den kontinuierlichen Zerfall von Rydberganregungen ins Kontinuum entstehen. Ein besonderes Merkmal unseres Labor ist außerdem ein Elektronenstrahlmikroskop, mit dem wir die Atomwolke mit hoher Ortsauflösung abbilden können.
Laborteam
Raum 46-434
Telefon 2330
rydberg(at)physik.uni-kl.de
Ausgewählte Publikationen
T Klas, J Bender, P Mischke, T Niederpüm, H Ott
Engineering long-range molecular potentials by external drive
We report the engineering of molecular potentials at large interatomic distances. The molecular states are generated by off-resonant optical coupling to a highly excited, long-range Rydberg molecular potential. The coupling produces a potential well in the low-lying molecular potential, which supports a bound state. The depth of the potential well, and thus the binding energy of the molecule, can be tuned by the coupling parameters. We characterize these molecules and find good agreement with a theoretical model based on the coupling of the two involved adiabatic potential energy curves. Our results open numerous possibilities to create long-range molecules between ultracold ground state atoms and to use them for ultracold chemistry and applications such as Feshbach resonances, Efimov physics or the study of halo molecules.
C Lippe, T Klas, J Bender, P Mischke, T Niederprüm, H Ott
Experimental realization of a 3D random hopping model
Nature Communications 12, 6976 (2021)
Scientific advance is often driven by identifying conceptually simple models underlying complex phenomena. This process commonly ignores imperfections which, however, might give rise to non-trivial collective behavior. For example, already a small amount of disorder can dramatically change the transport properties of a system compared to the underlying simple model. While systems with disordered potentials were already studied in detail, experimental investigations on systems with disordered hopping are still in its infancy. To this end, we experimentally study a dipole–dipole-interacting three-dimensional Rydberg system and map it onto a simple XY model with random couplings by spectroscopic evidence. We discuss the localization–delocalization crossover emerging in the model and present experimental signatures of it. Our results demonstrate that Rydberg systems are a useful platform to study random hopping models with the ability to access the microscopic degrees of freedom. This will allow to study transport processes and localization phenomena in random hopping models with a high level of control.
O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert and H. Ott
Photoassociation of rotating ultra-long range Rydberg molecules
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 51, 155201 (2018)
We discuss the rotational structure of ultra-long range Rydberg molecules and their angular nuclear wave function. Expressing the complete molecular wave function in a laboratory fixed frame, we derive the transition matrix elements for the photoassociation of free ground state atoms. The coupling strength depends on the angular momentum coupling in the Rydberg molecule, which differs for the various types of Rydberg molecules. This work explains the different steps to calculate the wave functions and the transition matrix elements in a way, that they can be transferred to other Rydberg molecules involving different atomic species or molecular coupling cases.
O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert and H. Ott
Experimental realization of a Rydberg optical Feshbach resonance in a quantum many-body system
Nature Communications 9, 2238 (2018)
Feshbach resonances are a powerful tool to tune the interaction in an ultracold atomic gas. The commonly used magnetic Feshbach resonances are specific for each species and are restricted with respect to their temporal and spatial modulation. Optical Feshbach resonances are an alternative which can overcome this limitation. Here, we show that ultra-long-range Rydberg molecules can be used to implement an optical Feshbach resonance. Tuning the on-site interaction of a degenerate Bose gas in a 3D optical lattice, we demonstrate a similar performance compared to recent realizations of optical Feshbach resonances using intercombination transitions. Our results open up a class of optical Feshbach resonances with a plenitude of available lines for many atomic species and the possibility to further increase the performance by carefully selecting the underlying Rydberg state.