Interfacing quantum gases with femtosecond laser pulses: from strong-field ionization to ultracold plasma

Abstract

The strong and coherent light fields of ultrashort laser pulses provide a versatile tool to manipulate and probe quantum gases on femtosecond timescales. For instance, they allow to locally ionize an ultracold atomic cloud and thus pave the way towards the creation of hybrid atom-ion quantum systems.

In this work, a new experimental setup combining state of the art techniques from ultracold quantum gases and ultrafast physics is presented. The setup enables absorption imaging of the neutral atoms as well as direct detection of the created electrons and ions with spatial and temporal resolution. Thus, it allows studying fundamental questions regarding the coherence transfer onto the ionization fragments during photoionization as well as the realization of hybrid atom-ion quantum systems and ultracold electron ensembles.

The dynamics of such systems critically depends on the nature of the photoionization processes during creation. Therefore, we have investigated strong-field ionization of 87Rb in the intriguing regime where the Keldysh parameter is close to unity. Absorption imaging of the ultracold atomic gas after photoionization allows extracting the absolute atomic losses in a spatially resolved manner, thus overcoming the focal averaging. The absolute ionization probabilities obtained experimentally are compared to the predicted losses for different ionization models without any free parameter and shows a good agreement with ionization probabilities determined by ab-initio solving the time-dependent Schrödinger equation.

In addition, the strong light field of femtosecond laser pulses leads to an enormous acceleration of a Bose-Einstein condensate (BEC) submitted to large intensity gradients. Depending on the detuning of the fs laser pulse, strong repulsive or attractive dipole forces up to 2×10^10 g can be reached. An ultracold matter wave halo with a longitudinal beam temperature of Tbeam = 20(5) nK at a tunable beam velocity up to v0 = 20 mm/s has been realized. Even for high intensities, a description of the acceleration by transient optical dipolar forces is found to be accurate when including dissipation by photoionization.

As a central result, the creation of ultracold plasma in a BEC is studied. The large density combined with the low temperature of the BEC give rise to an initially strongly coupled plasma with an initial ionic coupling parameter of Γi = 4800. This new regime leads to an ultrafast cooling of the plasma electrons trapped in the space charge potential of the dense ionic core. The experimental setup grants direct access to the electron temperature that relaxes from 5250 K to below 10 K in less than 500 ns. In addition, plasma dynamics simulations unravel the ultrafast exchange of energy between electrons and ions which yield a cooling rate of 400 K/ps.

Die starken und kohärenten Lichtfelder ultrakurzer Laserpulse sind ein vielseitiges Werkzeug um Quantengase auf der Zeitskala von Femtosekunden zu manipulieren und untersuchen. Sie ermöglichen zum Beispiel die lokale Ionisation ultrakalter Atomwolken und ebnen somit den Weg zur Erzeugung hybrider Atom-Ionen-Quantensysteme.

In dieser Arbeit wird ein neues Experiment präsentiert, das modernste Techniken aus den ultrakalten Gasen und der Ultrakurzzeitphysik verbindet. Der Aufbau ermöglicht Absorptionsabbildung der neutralen Atome sowie einen direkten Nachweis der erzeugten Elektronen und Ionen mit räumlicher und zeitlicher Auflösung. Somit können fundamentale Fragen zum Kohärenztransfer auf die Ionisationsfragmente während der Photoionisation erforscht und hybride Atom-Ionen-Quantensysteme sowie ultrakalte Elektronenensembles realisiert und untersucht werden.

Die Dynamik dieser Systeme hängt empfindlich von der Natur der Photoionizationsprozesse während der Erzeugung ab. Aus diesem Grund wird die Starkfeldionisation von 87Rb in dem komplexen Regime mit einem Keldysh-Parameter nahe eins untersucht. Die Absorptionsabbildung des ultrakalten Gases nach der Photoionisation erlaubt ortsaufgelösten Zugriff auf die absoluten Atomverluste ohne Mittelung über die Fokalebene. Die experimentell erhaltenen absoluten Ionisationswahrscheinlichkeiten werden mit erwarteten Verlusten verschiedener Ionisationsmodelle verglichen und sind in guter Übereinstimmung mit Ionisationswahrscheinlichkeiten, die durch ab-initio-Lösen der zeitabhängigen Schrödingergleichung bestimmt werden.

Darüberhinaus kann das starke Lichtfeld von Femtosekunden-Laserpulsen durch hohe Intensitätsgradienten zu enormen Beschleunigungen eines Bose-Einstein Kondensats (BEC) führen. In Abhängigkeit der Verstimmung des fs Laserpulses, können starke repulsive und attraktive Wechselwirkungen bis zu 2×10^10 g erreicht werden. Dies ermöglicht die Erzeugung eines Materiewellenhalos mit einer longitudinalen Strahltemperatur von Tbeam = 20(5) nK bei einer einstellbaren Strahlgeschwindigkeit von bis zu v0 = 20 mm/s. Es zeigt sich, dass die Beschreibung der Beschleunigung durch optische Dipolkräfte auch für hohe Intensitäten akkurat ist, wenn der Atomverlust durch Photoionisation einbezogen wird.

Als ein zentrales Ergebnis wird die Erzeugung von ultrakaltem Plasma in einem BEC untersucht. Die Kombination aus hoher Dichte und geringer Temperatur der Atome im BEC führt zu einem initial stark gekoppelten Plasma mit einem Kopplungsparameter der Ionen von Γi = 4800. In diesem neuartigen Regime werden die Elektronen im Raumladungspotential des dichten Ionenkerns gefangen und erfahren eine ultraschnelle Kühlung. Der experimentelle Aufbau ermöglicht direkten Zugriff auf die Elektronentemperatur, die in weniger als 500 ns von 5250 K auf 10 K fällt. Zusätzlich geben Simulationen der Plasmadynamik Einblick in den ultraschnellen Energieaustausch zwischen Elektronen und Ionen, der eine Kühlrate von 400 K/ps hervorbringt.