Strong-Field Ionization of Ultracold Quantum Gases: From Ultracold Plasma to Rydberg Gases

Abstract

Die Kombination von ultrakalten Quantengasen und Femtosekundenlaserpulsen ermöglicht das Untersuchen von fundamentalen Fragestellungen bezüglich Atomen in starken Lichtfeldern, der ultraschnellen Manipulation von kohärenten Materiewellen und der Erzeugung von Wenig- bis Vielteilchensystemen aus Ladungsträgern mittels Starkfeldionisation. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf solchen Vielteilchensysteme mit langreichweitiger Coulombwechselwirkung, die durch lokale Ionisation eines Rubidium-87 Bose-Einstein-Kondensat mittels Femtosekundenlaserpulsen erzeugt werden. Die Photoelektronen haben bei einer Pulswellenlänge von 511 nm eine Überschussenergie von 0.68 eV, was zur Bildung eines Plasmas führt, in dem die initiale Elektronentemperatur fünf Größenordnungen über der Ionentemperatur liegt. Aufgrund der hohen Dichte und der vernachlässigbaren kinetischen Energie der Atome, weist das Plasma anfangs eine stark gekoppelte Ionenkomponente mit einem Kopplungsparameter von Γ = 4800 auf. Nach der Ionisation führen Ladungstrennung und Expansion des Systems zu ultraschnellem Elektronenkühlen. Hierbei wird die Elektronentemperatur von anfangs 5250 K innerhalb von weniger als 500 ns auf 10 K reduziert. Molekulardynamiksimulationen ermöglichen uns tiefere Einblicke in die Dynamik des Systems und zeigen eine Elektronenkühlrate von 400 K/ps. Des Weiteren wird das Zusammenspiel zwischen dem ultrakalten Mikroplasma mit großem Ladungsungleichgewicht und dichten Rydberggasen untersucht, indem die Wellenlänge des Femtosekundenlaserpulses über die Zwei-Photonen-Ionisationsschwelle hinaus durchgestimmt wird. Somit lässt sich oberhalb der Ionisationsschwelle die Überschussenergie der Photoelektronen variieren und unterhalb der Schwelle können Rydbergzustände hinunter bis zum n = 8d - Zustand angeregt werden. Die Detektion von Elektronen, die an der Plasmadynamik teilnehmen, sowie von Elektronen, die aus Drei-Photonen-Ionisation stammen oder durch kontrollierte Ionisation der adressierten Rydbergzustände erzeugt werden, erlaubt uns eine Abschätzung ihrer kinetischen Energien. Der Ionendetektor am Experiment gibt zusätzlich Einblicke in die Coulombexpansion des Systems. Sowohl unter als auch oberhalb der Zwei-Photonen-Ionisationsschwelle beobachten wir die Entwicklung ultrakalter Plasmen. Über der Schwelle ist die Enstehung von Plasmen aufgrund der Zwei-Photonen-Ionisation zu erwarten, unter der Schwelle ergibt sich eine fundamental andere Dynamik - hier beobachten wir einen Transfer von angeregten Rydbergzuständen in ein ultrakaltes Plasma. Die experimentellen Ergebnisse werden durch klassische Molekulardynamiksimulationen ergänzt, die sowohl freie Ionen und Elektronen als auch gebundene Rydbergzustände enthalten. Aufgrund der geringen Anzahl an involvierten Teilchen kann die zugrundeliegende Dynamik bei gleichzeitiger Berücksichtigung des Ionisationsvolumens, der Rydberganregung und der Zwei- und Drei-Photonen-Ionisation reproduziert werden. Die Simulationen zeigen dabei, dass Drei-Photonen-Ionisationsprozesse in den beobachteten Systemen über der Zwei-Photonen-Ionisationsschwelle die Rekombination von freien Elektronen und Ionen in Rydbergzustände verhindern, während sie unter der Schwelle die Bildung von ultrakalten Plasmen aus vorhandenen Rydbergatomen begünstigen.

Combining ultracold quantum gases with femtosecond laser pulses allows for the investigation of fundamental questions regarding atoms in strong light fields, the ultrafast manipulation of coherent matter waves as well as the creation of charged few- to manybody systems via strong-field ionization. This thesis focuses on such many-body systems with long-range Coulomb interactions triggered by local ionization of a 87Rb Bose-Einstein condensate (BEC) using femtosecond laser pulses. At a pulse wavelength of 511nm, the photoelectrons obtain a high excess energy of 0.68 eV, yielding a plasma where the temperature of the electrons is five orders of magnitude larger than the temperature of the ions. Due to the high density inherited from the BEC and the negligible kinetic energy of the atomic ensemble, the plasma exhibits an initially strongly coupled ion component with Γ = 4800. After ionization, the charge separation and expansion of the system leads to an ultrafast electron cooling, reducing the electron temperature from initially 5250 K to 10 K in less than 500 ns. Molecular dynamics simulations provide insights into the full dynamics and reveal a rapid electron cooling rate of 400 K/ps. Furthermore, we report on the investigation of the interplay between a highly charged ultracold microplasma and a dense Rydberg gas by tuning the wavelength of the femtosecond laser pulse across the two-photon ionization threshold. Above the threshold, this allows us to tune the initial kinetic energy of the photoelectrons, below the threshold we are able to address Rydberg states down to the n = 8d states. We experimentally record the electrons from plasma dynamics, three-photon ionization as well as electrons emerging from controlled ionization of Rydberg states and estimate their corresponding energies. Our ion detector provides insight into the Coulomb expansion of the system. Both, above and below the two-photon ionization threshold, we find evidence for the formation of ultracold plasma. Above the threshold, plasma formation from two-photon ionization is expected, yet below the threshold the underlying dynamics differ profoundly. Here, we observe a transfer from excited Rydberg states into ultracold plasma. The experimental results are complemented by classical molecular dynamics simulations including free ions and electrons as well as bound Rydberg states. Exploiting the small system size, we are able to simulate the dynamics by taking the ionization volume, Rydberg excitation as well as two- and three-photon ionization into account. The simulations reveal that three-photon ionization suppresses recombination processes above the threshold and seeds the formation of an ultracold plasma below the threshold.