Abbildung einzelner Rydberg Elektronen und Ionen in einem Quantengas

• Antragsteller: Professor Dr. Tilman Pfau
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262764871

Die räumlichen Elektronenorbitale stellen die Grundlage unseres Verständnisses von chemischen Bindungen sowie von vielen Phänomenen in der Molekül- und Festkörperphysik dar. Die Orbitale werden in vielen Lehrbücher dargestellt und können oft auch sehr gut berechnet werden. Exotische Orbitale wie zum Beispiel eindimensionale oder zirkuläre Atome wurden experimentell erzeugt und indirekt nachgewiesen. Dynamische Veränderungen von Orbitalen bei der Absorption von Licht oder z.B. beim Energietransport sind bekannt und in einfachen Fällen gut verstanden. Obwohl sie eine solch wichtige Rolle spielen konnten Elektronenorbitale bisher jedoch nicht optisch abgebildet werden. Wir schlagen hier ein direktes optisches Abbildungsverfahren vor, welches statische und veränderliche Orbitale in einem Kamerabild festhalten kann. Basis hierfür ist der Einsatz eines Bose-Einstein Kondensats (BEC) als Kontrastmittel. Elektronendichteänderungen eines einzelnen Elektrons werden durch die Polarisierbarkeit der kondensierten Grundzustandsatome in eine messbare Dichteänderung des BECs verwandelt, welche dann z.B. über Dunkelfeldmikroskopie direkt abgebildet werden kann. Um die optische Auflösungsgrenze der Mikroskopie zu überwinden, müssen Orbitale von Rydbergelektronen mit Hauptquantenzahlen von mehr als ~100 angeregt werden. Neben dem Effekt einer einzelnen elektronischen Ladung soll dieses Verfahren auch auf einzelne ionische Ladungen ausgedehnt werden. Die Reichweite der Wechselwirkung eines Ions mit dem BEC ist auch in der Größenordnung der Auflösungsgrenze der optischen Mikroskopie, so dass die erwarteten Polaronen prinzipiell in situ abgebildet werden können. Ob ein einzelnes Ion in einem Quantengas eingefangen und abgebildet werden kann, ist eine offene Frage, die im Rahmen dieses Projekts beantwortet werden soll.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte