German Title: Emergenz von Korrelationen in stark wechselwirkenden ultrakalten Rydberg Gasen

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Abstract

This thesis experimentally explores the application of strongly interacting states of Rydberg atoms as means to introduce and control correlations in many-body systems. A new apparatus has been built, which combines high atomic densities possible using optical dipole traps with the ability to detect and probe Rydberg atoms via both field ionization detection and electromagnetically induced transparency. In the first study, the interaction induced excitation of Rydberg atom pairs ('antiblockade') is demonstrated using detuned laser excitation. This provides the possibility to engineer spatial correlations and to control interactions between Rydberg atoms. We then investigate the effects of Rydberg-Rydberg interactions and correlations on the spontaneous evolution of the system to an ultracold plasma. The initial correlations between Rydberg atoms should be preserved, suggesting a new route to overcome disorder-induced heating and to enter new strongly coupled regimes. Finally the back-action of Rydberg-Rydberg interactions on propagating light fields is explored. Dissipative interactions between dark-state polaritons give rise to a strongly nonlinear optical response and sub-Poissonian statistics of polaritons which reflect the emergence of correlations in both the atomic and light fields. Combined, these experiments help elucidate the effects of Rydberg induced correlations on diverse physical systems involving atoms, ions and photons.

Translation of abstract (German)

Diese Doktorarbeit untersucht die experimentelle Anwendung stark wechselwirkender Rydberg-Atome als Mittel zur Erzeugung und zur Kontrolle von Korrelationen in Vielteilchensystemen. Eine neue Apparatur wurde gebaut, die die Erzielung hoher atomarer Dichten mittels Dipolfallen mit der Rydberg-Atom-Detektion sowohl durch Feldionisation als auch durch optische Untersuchung mittels elektromagnetisch induzierter Transparenz kombiniert. In der ersten Studie wird die wechselwirkungsinduzierte Anregung ("Antiblockade") von Rydberg-Atompaaren durch verstimmte Laseranregung gezeigt. Dies ermöglicht das Maßschneidern räumlicher Korrelationen und die Kontrolle von Wechselwirkungen zwischen Rydberg-Atomen. Anschließend werden die Auswirkungen von Rydberg-Rydberg-Wechselwirkungen und Korrelationen auf die spontane Evolution des Systems in ein ultrakaltes Plasma untersucht. Dabei sollten die anfänglichen Korrelationen zwischen den Rydberg-Atomen erhalten bleiben, was eine neue Möglichkeit zur Überwindung des unordnungsinduzierten Plasmaheizens und zur Realisierung neuartiger stark gekoppelter Plasmaregime bieten könnte. Abschließend wird die Rückwirkung von Rydberg-Rydberg-Wechselwirkungen auf propagierende Lichtfelder untersucht. Dissipative Wechselwirkungen zwischen Dunkelzustandspolaritonen haben ein stark nichtlineares optisches Verhalten und eine nicht-Poissonsche Statistik zur Folge, die die Emergenz von Korrelationen in atomaren Feldern und in Lichtfeldern widerspiegeln. Die Kombination dieser Experimente beleuchtet die Auswirkung von durch Rydberg-Wechselwirkungen hervorgerufenen Korrelationen auf verschiedenartige physikalische Systeme wie Atome, Ionen und Photonen.