Controlling Rydberg atoms in external electric fields

Abstract

In this work, numerical calculations were implemented based on the diagonalisation of a matrix representation of the Stark Hamiltonian on a subset of the basis given by the zero-field Hamiltonian. Dipole matrix elements between the involved states were calculated, which allow for the prediction of transition strengths to Stark shifted Rydberg states. The applicability of the numerical methods were confirmed experimentally by precision spectroscopy in a rubidium vapour cell with electrodes using electromagnetically induced transparency (EIT).

The numerical methods were then extended to predict ionisation rates of Rydberg states in the highly Stark shifted regime beyond the classical ionisation threshold. For this purpose, a complex absorbing potential (CAP) was specifically adjusted to the Stark Hamiltonian. An experiment was conducted, in which cold atoms from a magneto-optical trap (MOT) were excited to Stark shifted Rydberg states and the arising ions were detected. The obtained ionisation spectra agree well with the results from the numerical calculations.

Another extension of the numerical methods was implemented for crossed electric and magnetic fields. This was used for approximate calculations of the motional Stark effect (MSE), which acts on atoms moving through static magnetic fields and thereby experiencing a Lorentz electric field. In a precision spectroscopy, once more using EIT in a vapour cell, the MSE was observed in low magnetic fields for the first time in rubidium. The spectral shift, which is caused by the MSE, matches the prediction from the numerical calculations.

In a final experiment, the practical use of the knowledge of several properties of Stark shifted Rydberg states was illustrated. The numerical methods including the CAP were used to specifically select states for their optical accessibility, permanent electric dipole moments and ionisation rates. In the experiment, atoms from a MOT were excited to these states to observe different characteristics of the dipole blockade effect. The detection scheme for this experiment was realised by controlled ionisation using only small changes in the external electric field.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden numerische Berechnungen durchgeführt, die auf der Diagonalisierung einer Matrix-Repräsentation des Stark-Hamilton-Operators auf einer Untermenge der Basis, gegeben durch den Null-Feld-Hamilton-Operator, beruhen. Es wurden Dipol-Matrix-Elemente zwischen den beteiligten Zuständen berechnet, die die Vorhersage der Übergangsstärken in Stark-verschobene Zustände ermöglichen. Die Anwendbarkeit der numerischen Methoden wurde experimentell durch Präzisionsspektroskopie in einer Rubidium-Dampfzelle mit Elektroden, unter Ausnutzung von elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT), bestätigt.

Die numerischen Methoden wurden erweitert, um die Ionisationsraten von Rydberg-Atomen im weit-Stark-verschobenen Regime, d.h. jenseits der klassischen Ionisationskante, vorherzusagen. Zu diesem Zweck wurde ein "complex absorbing potential" (CAP) speziell an den Stark-Hamilton-Operator angepasst. In einem Experiment wurden kalte Atome aus einer magneto-optischen Falle (engl. "magneto-optical trap", kurz MOT) in Stark-verschobene Rydberg-Zustände angeregt und die entstehenden Ionen anschließend detektiert. Die erhaltenen Ionisationsspektren stimmen mit den Ergebnissen der numerischen Berechnungen gut überein.

Daneben wurde eine Erweiterung der numerischen Methoden für gekreuzte elektrische und magnetische Felder implementiert. Dies wurde zur näherungsweisen Berechnung des "motional Stark effect" (MSE) für Atome verwendet, die sich in statischen Magnetfeldern bewegen und dadurch ein Lorentz-elektrisches Feld erfahren. In einer Präzisionsspektroskopie, wiederum unter Verwendung von EIT in einer Dampfzelle, wurde der MSE zum ersten Mal an Rubidium in niedrigen Magnetfeldern beobachtet. Die spektrale Verschiebung, die durch den MSE verursacht wird, stimmt mit der Vorhersage aus den numerischen Berechnungen überein.

In einem letzten Experiment wurde der praktische Nutzen der Kenntnis einiger Eigenschaften von Stark-verschobenen Rydberg-Zuständen illustriert. Die numerischen Methoden inklusive des CAPs wurde verwendet, um Zustände speziell nach ihrer optischen Adressierbarkeit, ihren permanenten elektrischen Dipolmomenten und ihren Ionisationsraten auszuwählen. Im zugehörigen Experiment wurden Atome aus einer MOT in diese Zustände angeregt, um die unterschiedlichen Charakteristika des Dipol-Blockade-Effekts zu beobachten. Das Detektionsschema für dieses Experiment wurde durch eine kontrollierte Ionisation mittels kleiner Änderungen des externen elektrischen Feldes realisiert.