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Krug, Andreas (2001): Alkali Rydberg States in Electromagnetic Fields: Computational Physics Meets Experiment. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

We study highly excited hydrogen and alkali atoms (’Rydberg states’) under the influence of a strong microwave field. As the external frequency is comparable to the highly excited electron’s classical Kepler frequency, the external field induces a strong coupling of many different quantum mechanical energy levels and finally leads to the ionization of the outer electron. While periodically driven atomic hydrogen can be seen as a paradigm of quantum chaotic motion in an open (decaying) quantum system, the presence of the non-hydrogenic atomic core – which unavoidably has to be treated quantum mechanically – entails some complications. Indeed, laboratory experiments show clear differences in the ionization dynamics of microwave driven hydrogen and non-hydrogenic Rydberg states. In the first part of this thesis, a machinery is developed that allows for numerical experiments on alkali and hydrogen atoms under precisely identical laboratory conditions. Due to the high density of states in the parameter regime typically explored in laboratory experiments, such simulations are only possible with the most advanced parallel computing facilities, in combination with an efficient parallel implementation of the numerical approach. The second part of the thesis is devoted to the results of the numerical experiment. We identify and describe significant differences and surprising similarities in the ionization dynamics of atomic hydrogen as compared to alkali atoms, and give account of the relevant frequency scales that distinguish hydrogenic from nonhydrogenic ionization behavior. Our results necessitate a reinterpretation of the experimental results so far available, and solve the puzzle of a distinct ionization behavior of periodically driven hydrogen and non-hydrogenic Rydberg atoms – an unresolved question for about one decade. Finally, microwave-driven Rydberg states will be considered as prototypes of open, complex quantum systems that exhibit a complicated temporal decay. However, we find considerable differences in the decay of such real and experimentally accessible atomic systems, as opposed to predictions based on the study of quantum maps or other toy models with mixed regular-chaotic classical counterparts.

Abstract

Wir untersuchen hochangeregte Wasserstoff- und Alkaliatome ( ” Rydbergatome“) unter dem Einfluß eines starken Mikrowellenfeldes. Das aeußere Feld, dessen Frequenz von der Groeßenordnung der klassischen Keplerfrequenz des Valenzelektrons ist, bewirkt eine starke Kopplung vieler verschiedener quantenmechanischer Energieniveaus und fuehrt schließlich zur Ionisation des aeußeren Elektrons.Waehrend periodisch getriebeneWasserstoffatome als ein Paradebeispiel quantenchaotischen Verhaltens in einem offenen (zerfallenden) System angesehen werden koennen, bringt ein nicht-wasserstoffartiger Atomrumpf, der als ein rein quantenmechanisches Objekt zu betrachten ist, einige Komplikationen mit sich. Tatsaechlich zeigen Experimente an verschiedenen Elementen deutliche Unterschiede im Ionisationsverhalten von Wasserstoff- und Alkaliatomen im Mikrowellenfeld. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein theoretisch-numerischer Apparat entwickelt, der es ermoeglicht, numerische Experimente sowohl an Wasserstoff als auch an Alkaliatomen unter exakt den gleichen Laborbedingungen durchzufuehren. Aufgrund der hohen Niveaudichte der periodisch getriebenen, dreidimensionalen Atome im Bereich typischer experimenteller Parameter sind solche Simulationen nur mit Hilfe modernster Parallelrechner in Verbindung mit einer effizienten parallelen Implementierung unseres numerischen Verfahrens moeglich. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Ergebnisse des numerischen Experiments vorgestellt und diskutiert. Wir finden ebenso deutliche Unterschiede wie ueberraschende Gemeinsamkeiten im Ionisationsverhalten von Wasserstoff- und Alkaliatomen und koennen jene Frequenzbereiche identifizieren, in welchen Alkaliatome wasserstoff- bzw. nicht-wasserstoffartiges Ionisationsverhalten zeigen. Unsere Resultate erzwingen die Neuinterpretation eines großen Teils der vorhandenen experimentellen Daten und erlauben es insbesondere, das seit ca. einem Jahrzehnt ungel oeste Problem des deutlich unterschiedlichen Ionisationsverhaltens verschiedener atomarer Spezies unter dem Einfluß eines elektromagnetischen Feldes zu loesen. Schließlich betrachten wir periodisch getriebene Rydbergatome als ein typisches offenes, komplexes Quantensystem, das einen komplizierten zeitlichen Zerfall zeigt. Insbesondere finden wir im Zerfall dieses realen atomaren Systems qualitative wie quantitative Unterschiede zu Vorhersagen, die auf Untersuchungen quantenmechanischer Abbildungen mit gemischt regulaer-chaotischem klassischen Analogon beruhen.