Ultralong-range Diatomic Molecules in External Electric and Magnetic Fields

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die theoretische Untersuchung der Quanteneigenschaften von ultralangreichweitigen diatomaren Molekülen in Anwesenheit externer elektrischer und magnetischer Felder. Im Rahmen dieser Dissertation werden sowohl die elektronischen Born-Oppenheimer Potentialflächen als auch die durch diese induzierte Dynamik der Rotations- und Vibrationsfreiheitsgrade analysiert. Neben analytischen Näherungen wird hierzu auf etablierte numerischen Diagonalisierungsverfahren zurückgegriffen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir ultralangreichweitige Rydbergmoleküle. In Abhängigkeit vom adressierten elektronischen Zustand erhält man Moleküle mit einer spezifischen Ausrichtung und Orientierung bezüglich der angelegten Felder. Reine elektrische Felder stabilisieren die untersuchten Moleküle, welche dann antiparallel zum Feld orientiert sind. Aufgrund der starken elektrischen Polarisierbarkeit genügen bereits kleine Feldstärken, um verschiedene molekulare Parameter wie den internuklearen Abstand als auch das elektrische Dipolmoment zu variieren. Für reine Magnetfelder erhält man Moleküle unterschiedlicher Ausrichtungen. Die berechneten Bindungsenergien verschiedener molekularer Zustände werden mit experimentellen Werten verglichen. Hierbei wird eine gute Übereinstimmung festgestellt. Im Falle parallel oder auch senkrecht zueinander angeordneter Feldkonfigurationen ergeben sich eine Fülle von Möglichkeiten, molekulare Eigenschaften wie das elektrische Dipolmoment sowie die spezifische Ausrichtung und Orientierung als zweiparametrige Größen der angelegten Feldstärken zu steuern. Abschließend präsentieren wir den neuartigen Bindungszustand eines Grundzustandatoms mit einem sogenannten giant dipole atom. Diese Spezies ist von ultralangreichweitigem Charakater und gehört mit zu den größten bisher bekannten diatomaren Molekülen.

In this thesis, the quantum mechanical properties of ultralong-range diatomic molecules in external electric and magnetic fields are studied theoretically. Both the electronic Born-Oppenheimer potential surfaces and the rovibrational dynamics are analyzed. Besides analytic approximations, we apply standard numerical diagonalization routines. In the first part of the thesis, we study the properties of ultralong-range Rydberg molecules. Depending on the considered electronic state, one obtains molecular states possessing a specific degree of alignment and orientation with respect to the applied field. In the case of pure electric fields, the considered molecules are stabilized and oriented antiparallel to the field. Because of the high electronic polarizability, already very weak electric field strengths are sufficient to control molecular properties such as the internuclear separation and the electric dipole moment. For a pure magnetic field configuration, the molecular states are either aligned or antialigned. The molecular binding energies are calculated and confirmed to agree well with experimental data. In the case of parallel and perpendicular electric and magnetic field configurations different molecular properties such as the electric dipole moment and the molecular alignment and orientation can be tuned by varying both the electric and magnetic field strengths. Finally, we discuss the properties of a novel diatomic species where a ground state atom is bound to a giant dipole atom. These molecular species are of ultralong-range character and belong to the largest diatomic molecules known so far.