D-state Rydberg electrons interacting with ultracold atoms

Abstract

This thesis was established in the field of ultracold atoms where the interaction of highly excited D-state electrons with rubidium atoms was examined. This work is divided into two main parts: In the first part we study D-state Rydberg molecules resulting from the binding of a D-state Rydberg electron to a ground state rubidium atom. We show that we can address specific rovibrational molecular states by changing our laser detuning and thus create perfectly aligned axial or antialigned toroidal molecules, in good agreement with our theoretical calculations. Furthermore the influence of the electric field on the Rydberg molecules was investigated, creating novel states which show a different angular dependence and alignment. In the second part of this thesis we excite single D-state Rydberg electrons in a Bose-Einstein condensate. We study the lifetime of these Rydberg electrons, the change of the shape of our condensate and the atom losses in the condensate due to this process. Moreover, we observe quadrupolar shape oscillations of the whole condensate created by the consecutive excitation of Rydberg atoms and compare all results to previous S-state measurements. In the outlook we propose a wide range of further experiments including the proposal of imaging a single electron wavefunction by the imprint of its orbit into the Bose-Einstein condensate.

Diese Dissertation ist im Themengebiet der ultrakalten Atome angesiedelt und untersucht die Wechselwirkung von hoch angeregten D-Zustands-Elektronen mit Rubidium Atomen. Die Arbeit besteht aus zwei Hauptteilen: In dem ersten Teil untersuchen wir D-Zustands-Rydberg-Moleküle, die aus einer Bindung eines D-Zustand-Rydberg-Elektrons und eines Grundzustand-Rubidium-Atoms resultieren. Wir zeigen, dass wir mit der Verstimmung unseres Lasers verschiedene spezifische Rovibrations-Molekülzustände anregen können und so axiale Moleküle mit perfektem Alignment oder toroidale mit perfektem Antialignment erzeugen können – in guter Übereinstimmung mit unseren theoretischen Berechnungen. Außerdem wurde der Einfluss elektrischer Felder auf die Rydberg-Moleküle untersucht, was zu einer Entstehung neuer Molekülzustände mit unterschiedlicher Winkelabhängigkeit und Alignment führt. Im zweiten Teil der Arbeit regen wir einzelne D-Zustands-Elektronen in einem Bose-Einstein-Kondensat an. Wir untersuchen die Lebensdauer dieser Rydberg-Elektronen, die Veränderung der Form unserer Kondensate und die Atomverluste in den Kondensaten, die durch diesen Anregungsprozess hervorgerufen werden. Des Weiteren beobachten wir, dass das gesamte Kondensat Quadrupol Oszillationen unterliegt, hervorgerufen durch die hintereinander folgende Anregung von Rydberg Atomen und vergleichen diese Ergebnisse mit vorangegangenen Untersuchungen der S-Zustände. Im Ausblick schlagen wir eine Reihe weiterer Experimente vor, einschließlich des Vorschlags der Aufnahme der Wellenfunktion eines einzelnen Elektrons durch das ‚Einschreiben‘ seines Orbitals in die Dichteverteilung des Bose-Einstein-Kondensats.