German Title: Ultrakalte Rydberg Atome in einer Ioffe-Pritchard Falle : Bildung von eindimensionalen Rydberg Gasen und Ausnutzung ihres Zweiteilchencharakters

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Abstract

Subject of this thesis is the theoretical study of the quantum properties of ultracold Rydberg atoms in the presence of inhomogeneous external fields. Using the Ioffe-Pritchard configuration as a key ingredient superimposed by a homogeneous electric field, we demonstrate that trapped Rydberg atoms can be created in long-lived circular states exhibiting a permanent electric dipole moment of several hundred Debye. The resulting dipole-dipole interaction in conjunction with the radial confinement is demonstrated to entail an effectively one-dimensional Rydberg gas with a macroscopic interparticle distance. Turning our investigations to the low angular momentum electronic states, we demonstrate that the two-body character of Rydberg atoms significantly alters their trapping properties opposed to point-like particles with identical magnetic moment. Analytical expressions describing the resulting trapping potentials are derived and their validity is confirmed by comparison with the numerical solutions of the underlying Schrödinger equation. The center of mass dynamics are studied by means of an adiabatic approach and implications for quantum information protocols involving magnetically trapped Rydberg atoms are discussed. We conclude by demonstrating how the specific signatures of the Rydberg trapping potential can be probed by means of ground state atoms that are off-resonantly coupled to the Rydberg state via a two-photon laser transition.

Translation of abstract (German)

Gegenstand dieser Arbeit ist die theoretische Untersuchung der Quanteneigenschaften von ultrakalten Rydberg Atomen in Anwesenheit inhomogener äußerer Felder. Wir betrachten die Ioffe-Pritchard Konfiguration und überlagern diese mit einem homogenen elektrischen Feld um zu zeigen, dass gefangene Rydberg Atome in langlebigen zirkularen Zuständen erzeugt werden können und dabei ein permanentes elektrisches Dipolmoment von einigen hundert Debye aufweisen. Die daraus resultierende Dipol-Dipol Wechsewirkung in Verbindung mit der radialen Einsperrung führt zu einem effektiv eindimensionalen Rydberg Gas mit makroskopischen Teilchenabständen. Unsere Untersuchungen auf Niedrigdrehimpulszustände verlagernd zeigen wir, dass - im Vergleich zu Punktteilchen mit identischen magnetischen Moment - der Zweiteilchencharkter von Rydberg Atomen maßgeblich ihre Falleneigenschaften beeinflußt. Analytische Ausdrücke für die resultierenden Fallenpotentiale werden hergeleitet und ihre Gültigkeit wird durch den Vergleich mit den numerischen Lösungen der zugrunde liegenden Schrödingergleichung bestätigt. Die Schwerpunktsbewegung wird mittels eines adiabatischen Ansatzes untersucht und Implikationen für Quanteninformations-Protokolle, die magnetisch gefangene Rydberg Atome involvieren, werden diskutiert. Abschließend zeigen wir, wie die spezifischen Merkmale des Rydberg Fallenpotentials mit Hilfe von Grundzustandsatomen geprobt werden können, welche mit dem Rydberg Zustand mittels eines nichtresonanten Zweiphotonenübergangs verkoppelt sind.