Forscher untersuchen Quanteneffekte von Licht auf die Entstehung von Rydberg-Zuständen in Wasserstoffmolekülen

Rydberg-Atome und -Moleküle sind dadurch gekennzeichnet, dass sie ein oder mehrere Elektronen in hoch angeregten gebundenen Zuständen haben. Solche Atome und Moleküle befinden sich angeblich in „Rydberg-Zuständen“ und werden auch als „hohle“ Atome und Moleküle bezeichnet. Rydberg-Zustände sind nützlich, um verschiedene Phänomene zu untersuchen, die bei intensiver Licht-Materie-Wechselwirkung auftreten, die eine elektronische Anregung mit einem intensiven Laserpuls über optische Prozesse wie „Multiphotonen-Resonanzanregung“ und „frustrierte Tunnelionisation“ beinhalten.

Bei der resonanten Multiphotonenanregung werden Atome oder Moleküle durch die Absorption mehrerer Photonen (Einheiten elektromagnetischer Strahlung) in Rydberg-Zustände angeregt. Im Gegensatz dazu resultieren durch frustrierte Tunnelionisation induzierte Rydberg-Zustände aus einer Wechselwirkung zwischen dem Elektron und dem intensiven elektrischen Feld des Lasers. Somit tragen sowohl das Laserphoton als auch das Laserfeld gemeinsam zum Rydberg State Excitation (RSE)-Prozess bei. Das Ausmaß der einzelnen Beiträge dieser beiden Effekte wurde jedoch bisher nicht experimentell bestimmt.

Nun, in einer Studie veröffentlicht in Fortgeschrittene Photonikhat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Jian Wu von der East China Normal University eine experimentelle Methode entwickelt, um die Auswirkungen jedes Mechanismus bei RSE zu isolieren.

Ihre Methode besteht darin, Wasserstoffmoleküle in Rydberg-Zustände anzuregen, indem sie den Photoneneffekt und den Feldeffekt mit einem bizirkularen Zweifarben-Laserfeld (BCTC) steuern, einer Art Laserfeld, das durch die Kombination zweier zirkular polarisierter Laserstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt wird. Mit zwei Laserstrahlen konnten die Forscher die Energie der Photonen einstellen, mit denen die Wasserstoffatome angeregt werden.

Durch die Änderung der Helizität des BCTC-Felds konnten sie außerdem die Elektronenrückgewinnungsprozesse ein- und ausschalten und so den Feldeffekt manipulieren. So konnten sie Rydberg-Zustände erzeugen und dabei das Ausmaß variieren, in dem jeder Effekt zum Prozess beitrug. Die Forscher bestimmten dann das Ausmaß, in dem die Feldanregungs- und Photonenabsorptionsprozesse zu RSE beitrugen, indem sie die Ausbeuten des Rydberg-Zustands für verschiedene Polarisationen und Photonenzahlen verglichen.

„Durch die Feineinstellung der relativen Feldstärke der beiden Farben konnten wir die Wellenform des Laserfelds und die Anzahl der an den RSE-Prozessen beteiligten Photonen und damit die relativen Beiträge der Feld- und Photoneneffekte manipulieren“, erklärt Hongcheng Ni, der Co-korrespondierende Autor der Arbeit.

In ihrem experimentellen Aufbau wurden die BCTC-Laserfelder unter Verwendung der Kombination eines Grundwellen(FW)-Laserpulses und eines Pulses der zweiten Harmonischen (SH) mit der doppelten Grundfrequenz erzeugt. Diese Pulse wurden unter Verwendung eines dichromatischen Spiegels kombiniert, um entweder gegenläufig oder gleichläufige zweifarbige Laserfelder zu erzeugen. Diese Impulse wurden dann auf einen Überschallstrahl aus Wasserstoffgas in einem Reaktionsmikroskop fokussiert, um Rydberg-Zustände von Wasserstoffmolekülen zu erzeugen.

Die Forscher fanden heraus, dass eine Erhöhung der relativen Stärke des SH-Felds (mit Photonen, die doppelt so energiereich sind wie das FW-Feld) zu einer insgesamt steigenden Ausbeute an Rydberg-Zuständen führte, was auf eine wichtige Rolle des Photoneneffekts hinweist. Zusätzlich führte das Umschalten der Polarisation des BCTC-Feldes von gleichrotierend auf gegenläufig rotierend zu einer Erhöhung der Rydberg-Zustandsausbeute. Die Forscher führten diese Beobachtung auf die Unterdrückung des Feldeffekts bei gleichläufigen Feldern zurück.

Die experimentelle Studie liefert wichtige Einblicke in RSE in einem intensiven Laserfeld mit potenziellen Auswirkungen auf eine Vielzahl von Bereichen, darunter Quantenphysik, Chemie und Astrophysik. „Rydberg-Atome und -Moleküle haben das Potenzial, als Bausteine ​​für fortschrittliche Technologien in Bezug auf Quanteninformation, nichtlineare Quantenoptik, weitreichende Vielteilchen-Wechselwirkungen und Präzisionsmessungen zu dienen. In dieser Hinsicht kann unsere Studie einen vielversprechenden Weg zur Manipulation bieten und Optimierung der RSE-Ausbeuten unter intensiven Laserfeldanregungen“, sagt Wenbin Zhang, der Erstautor und Mitautor der Arbeit.