Long-range Rydberg molecules, Rydberg macrodimers and Rydberg aggregates in an ultracold Cs gas

We present an overview of our recent investigations of long-range interactions in an ultracold Cs Rydberg gas. These interactions are studied by high-resolution photoassociation spectroscopy, using excitation close to one-photon transitions into $n$p$_{3/2}$ Rydberg states with pulsed and continuous-wave ultraviolet laser radiation, and lead to the formation of long-range Cs$_2$ molecules. We observe two types of molecular resonances. The first type originates from the correlated excitation of two atoms into Rydberg-atom-pair states interacting at long range via multipole-multipole interactions. The second type results from the interaction of one atom excited to a Rydberg state with one atom in the electronic ground state. Which type of resonances is observed in the experiments depends on the laser intensity and frequency and on the pulse sequences used to prepare the Rydberg states. We obtain insights into both types of molecular resonances by modelling the interaction potentials, using a multipole expansion of the long-range interaction for the first type of resonances and a Fermi-contact pseudo-potential for the second type of resonances. We analyse the relation of these long-range molecular resonances to molecular Rydberg states and ion-pair states, and discuss their decay channels into atomic and molecular ions. In experiments carried out with a two-colour two-photon excitation scheme, we observe a large enhancement of Rydberg-excitation probability, which we interpret as a saturable autocatalytic antiblockade phenomenon.Comment: 28 pages, 11 figures, submitted to EPJ S

Pulsed excitation of Rydberg-atom-pair states in an ultracold Cs gas

Pulsed laser excitation of a dense ultracold Cs vapor has been used to study the pairwise interactions between Cs atoms excited to $n$p$_{3/2}$ Rydberg states of principal quantum numbers in the range $n=22-36$. Molecular resonances were observed that correspond to excitation of Rydberg-atom-pair states correlated not only to the $n$p$_{3/2}+n$p$_{3/2}$ dissociation asymptotes, but also to $n$s$_{1/2}+(n+1)$s$_{1/2}$, $n$s$_{1/2}+n'$f$_{j}$, and $(n-4)$f$_{j}+(n-3)$f$_{j}$ $(j=5/2,7/2)$ dissociation asymptotes. These pair resonances are interpreted as arising from dipole-dipole, and higher-order long-range-interaction terms between the Rydberg atoms on the basis of i) their spectral positions, ii) their response to static and pulsed electric fields, and iii) millimeter-wave spectra between pair states correlated to different pair-dissociation asymptotes. The Rydberg-atom--pair states were found to spontaneously decay by Penning ionization and the dynamics of the ionization process were investigated during the first 10 $\mu$s following initial photoexcitation. To interpret the experimental observations, a potential model was derived that is based on the numerical determination of the eigenvalues and eigenfunctions of the long-range interaction Hamiltonian. With this potential model, which does not include adjustable parameters, all experimental observations could be accounted for, and the results demonstrate that long-range-interaction models provide a global and accurate description of interactions in ultracold Rydberg gases and that they correctly account for, and enable the analysis of, phenomena as diverse as the formation of Rydberg macrodimers, Penning ionization in dense Rydberg gases, and Rydberg-excitation blockade effects.Comment: 17 pages, 12 figure

Experimental characterization of singlet scattering channels in long-range Rydberg molecules

We observe the formation of long-range Cs$_2$ Rydberg molecules consisting of a Rydberg and a ground-state atom by photoassociation spectroscopy in an ultracold Cs gas near 6s$_{1/2}$($F$=3,4)$\rightarrow$np$_{3/2}$ resonances (n=26-34). The spectra reveal two types of molecular states recently predicted by D. A. Anderson, S. A. Miller, and G. Raithel [Phys. Rev. A 90, 062518 (2014)]: states bound purely by triplet s-wave scattering with binding energies ranging from 400 MHz at n=26 to 80 MHz at n=34, and states bound by mixed singlet-triplet s-wave scattering with smaller and F-dependent binding energies. The experimental observations are accounted for by an effective Hamiltonian including s-wave scattering pseudopotentials, the hyperfine interaction of the ground-state atom, and the spin-orbit interaction of the Rydberg atom. The analysis enabled the characterization of the role of singlet scattering in the formation of long-range Rydberg molecules and the determination of an effective singlet s-wave scattering length for low-energy electron-Cs collisions.Comment: v2 with corrections and modifications - to appear in Phys. Rev. Let

Veränderung der elektrischen Hirnaktivität während Vigilanzuntersuchungen im Hinblick auf unterschiedliche motivationale Testbedingungen

Einleitung und Methode: Tagesschläfrigkeit und Vigilanzminderung werden im Schlafmedizinischen Zentrum der Philipps-Universität Marburg mit Hilfe des in Marburg entwickelten Vierfachwahl-Reaktionszeit-Test VigiMar und des pupillo-graphischen Schläfrigkeitstests PST objektiviert. Wir untersuchten beide Vigilanztests auf hirnelektrische Korrelate von Vigilanzminderung und Schläfrigkeit mit Hilfe von EEG-Messungen. Des Weiteren wurde untersucht, inwiefern sich unterschiedlich hohe Motivation in den EEG-Aufzeichnungen widerspiegelt. Zudem wurden hirnelektrische Aktivität in der Nacht und Testleistungen am nächsten Tag in Bezug gesetzt. In dem Zeitraum von Oktober 2012 bis September 2013 führten wir bei 20 gesunden studentischen Mitarbeitern des Schlafmedizinischen Zentrums nach Arbeitsnächten mit moderatem Schlafentzug (mittlere Schlafdauer 2,25 Stunden) während der Durchführung des VigiMar und des PSTs EEG-Aufzeichnungen durch. Jeder Proband wurde zweimal getestet: einmal unter der Testbedingung „Belohnung“, einmal unter der Testbedingung „Teilnahme“. Belohnung bedeutete, dass je nach Wachheit in den Tests bis zu 400 € ausgezahlt wurden. Unter der Testbedingung „Teilnahme“ erfolgte lediglich eine pauschale Vergütung von € 25 unabhängig von den Testergebnissen. Aus den EEG-Aufzeichnungen wurde die relative und absolute Power innerhalb der Frequenzbänder Delta (0,5 – 4,0 Hz), Theta (4,0 – 8,0 Hz), Alpha (8,0 – 13 Hz), Beta (13 – 30 Hz) und Gamma (30 – 70 Hz) berechnet. Außerdem wurde die Total Power der einzelnen Bänder bestimmt. Ergebnisse: Hohe Alpha und Theta-Aktivität während des VigiMars gingen mit langsameren Reaktionszeiten, also niedrigerer Vigilanz einher. Hohe Total-Power, Delta-, Beta-, und Gamma-Aktivität gingen dagegen mit kürzeren Reaktionszeiten, also höherer Vigilanz einher. Der Zusammenhang zwischen hoher Beta- und Gamma- Aktivität und Vigilanz zeigte sich stärker unter Belohnungsbedingung als unter Teilnahmebedingung. Im PST zeigten sich nicht so klare Zusammenhänge, aber eine hohe Total Power sowie eine hohe okzipitale Beta- und Gamma-Aktivität korrespondierten auch in diesem Test mit einem geringeren Pupillenunruheindex (PUI), also höherer Vigilanz. Auf hohe Beta-Aktivität in der Nacht folgten am nächsten Morgen längere Reaktionszeiten im VigiMar. Hohe nächtliche Delta-Aktivität korrespondierte mit besseren Testleistungen. Für den PST zeigten sich ähnliche Zusammenhänge nur unter Belohnungs-bedingungen: Erhöhte nächtliche Beta- und Gamma-Aktivität gingen mit höherem PUI, also niedrigerer Vigilanz einher. Auf hohe nächtliche Delta- und Theta-Aktivität folgte ein niedrigerer PUI, also eine höhere Vigilanz. Diskussion: Für die hirnelektrische Aktivität während des VigiMars zeigten sich plausible, mit der Literatur für ähnliche Testverfahren übereinstimmende Ergebnisse. Mit Wachheit assoziierte Frequenzbänder (Beta und Gamma) korrespondierten mit guten Testergebnissen, Alpha (entspannte Wachheit) und Theta-Aktivität (Übergang Richtung Schlaf) weisen auf schlechte Testergebnisse hin. Die für den PUI in dieser Studie erstmals aufgezeigten ähnlichen Zusammenhänge mit dem Beta- und Gamma-Band weisen in eine ähnliche Richtung, sind aber nicht ganz so robust. Auch die nach unserem Wissen erstmals in dieser Studie erfassten Zusammenhänge zwischen EEG-Frequenzbändern in nächtlichen Kurzschlafphasen und Vigilanztestergebnissen am nächsten Morgen sind augenscheinvalide. Hohe nächtliche Beta-Aktivität, die für Wachheit spricht, wird von schlechteren Testergebnissen gefolgt. Bessere Testergebnisse gehen mit höherer tiefschlafassoziierte Delta-Aktivität einher. Für den PST zeigen sich wiederum ähnliche Ergebnisse, die allerdings nur unter Belohnungs-bedingungen statistische Bedeutsamkeit erreichen. Die weniger deutlichen Ergebnisse des PST können der kürzeren Testzeit (11 vs. 90 Minuten, damit kleinere Datenbasis der Powerspektren) geschuldet sein oder dafür sprechen, dass Ergebnisse des VgiMar besser mit EEG-Indikatoren der Wachheit zusammenhängen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung können als „Proof of Concept“ für den VigiMar und eingeschränkt für den PST bewertet werden, da hirnelektrische Aktivität während der Tests mit der in der vorherge- henden Kurzschlafphase und mit den Testergebnissen in physiologisch zu erwartender Weise zusammenhängen

Ecological characterisation of the vegetation of terrestrial mofette sites using the example of the Plesná valley, northwestern Czech Republic

In der vorliegenden Dissertation wird die azonale Vegetation terrestrischer Mofettenstandorte erstmalig vor dem Hintergrund mitteleuropäischer Vegetations- und Klimaverhältnisse charakterisiert und analysiert. Als Untersuchungsgebiet diente ein Ausschnitt des Plesná-Tals. Letzteres liegt im tschechischen Bäderdreieck, einer tektonisch aktiven Region, die über die Grenzen Tschechiens hinaus für ihren Reichtum an Mineralquellen bekannt ist. Das Plesná-Tal wird auf großer Fläche von brachliegendem Feuchtgrünland geprägt, in das die Mofetten als inselartige Sonderstandorte eingebettet sind. Bei der Untersuchung kamen vegetationskundliche, gasmesstechnische und pedologische Methoden zur Anwendung. Ein Teilaspekt der Studie ist die Beschreibung und grafische Darstellung beispielhafter Mofettenstrukturen mit ihrer spezifischen Kombination biotischer und abiotischer Faktoren. Die Analyse des Datenmaterials, welche vor allem nach standortsökologischen Kriterien erfolgte, ergab enge Zusammenhänge zwischen der Vegetationszusammensetzung und der Konzentration des Mofettengases CO2 in der Bodenluft. Gleichzeitig traten Korrelationen zwischen der Vegetationskomposition und den Bodenparametern Feuchte, pH-Wert und Humusgehalt auf. Auf der Grundlage spezifischer, standortsabhängiger Artenkombinationen war es möglich, die untersuchte Mofettenvegetation mehreren neu geschaffenen Vegetationstypen zuzuordnen.This PhD thesis is about the vegetation of terrestrial mofette sites growing under the climatic conditions of Central Europe. The investigation area in the Plesná valley is situated in the northwestern part of the Czech Republic near the famous spa town Františkovy Lászně. The plant cover predominantly consists of fallow grassland where the mofettes are intermingled as island-like structures. The study is based on phytosociological and pedological investigations as well as on soil gas measurements. An important part of the study is the description and graphic presentation of exemplary mofettes showing their specific combination of biotic and abiotic factors. The former data analysis showed a strong relationship between the vegetation mix and the CO2 concentration in the soil air. Correlations between the composition of the vegetation and the soil parameters humidity, pH and organic matter could also be found. On the basis of the species composition it was possible to allocate the vegetation of different mofettes to new vegetation types

Observation of dipole-quadrupole interaction in an ultracold gas of Rydberg atoms

We observe the direct excitation of pairs of Cs atoms from the ground state to molecular states correlating asymptotically to $ns\,n'f$ asymptotes. The molecular resonances are interpreted as originating from the dipole-quadrupole interaction between the $ns\,n'f$ pair states and close-by $np\,np$ asymptotes ($22\leq n \leq 32$). This interpretation is supported by Stark spectroscopy of the pair states and a detailed modeling of the interaction potentials. The dipole-quadrupole interaction mixes electronic states of opposite parity and thus requires a coupling between electronic and nuclear motion to conserve the total parity of the system. This non-Born-Oppenheimer coupling is facilitated by the near-degeneracy of even and odd $L$ partial waves in the atom-atom scattering which have opposite parity.Comment: 5 pages, 3 figure

Surface-electrode Rydberg-stark decelerator

Hydrogen atoms in Rydberg states with principal quantum numbers between 23 and 70 have been accelerated, decelerated, and electrostatically trapped using a surface-electrode Rydberg-Stark decelerator. By applying a set of oscillating electrical potentials to a two-dimensional array of electrodes on a printed circuit board (PCB), a continuously moving, three-dimensional electric trap with a predefined velocity and acceleration is generated. From an initial longitudinal velocity of 760m/s, final velocities of the Rydberg atoms ranging from 1200m/s to zero velocity in the laboratory-fixed frame of reference were achieved. Accelerated or decelerated atoms were detected directly by pulsed electric-field ionization. Atoms trapped at zero mean velocity above the PCB were reaccelerated off the PCB before field ionization. © 2012 American Physical Society

Computational study of glucosepane–water and hydrogen bond formation: an electron topology and orbital analysis

The collagen protein provides tensile strength to the extracellular matrix in addition to localising cells, proteins and protein cofactors. Collagen is susceptible to a build up of glycation modifications as a result of an exceptionally long half-life. Glucosepane is a collagen cross-linking advanced glycation end product; the structural and mechanical effects of glucosepane are still the subjects of much debate. With the prospect of an ageing population, the management and treatment of age-related diseases is becoming a pressing concern. One area of interest is the isolation of hydrated glucosepane, which has yet to be reported at an atomistic level. This study presents a series of glucosepane–water complexes within an implicit aqueous environment. Electronic structure calculations were performed using density functional theory and a high level basis set. Hydrogen bonds between glucosepane and explicit water were identified by monitoring changes to covalent bonds, calculating levels of electron donation from Natural Bonding Orbital analysis and the detection of bond critical points. Hydrogen bond strength was calculated using second-order perturbation calculations. The combined results suggest that glucosepane is very hydrophilic, with the imidazole feature being energetically more attractive to water than either hydroxyl group, although all hydrogen bonds, regardless of bond strength, were electrostatic in nature. Our results are in growing support of an earlier hypothesis that cross-links may result in an increase in interstitial water retention, which would permit the collagen fibril to swell, thereby potentially affecting the tensile and compression properties and biological function of connective tissues