超冷里德伯等离子体的膨胀

我们报道了对超冷里德伯等离子体膨胀的系统性实验与数值研究。具体而言，我们利用离子飞行时间谱测量了由冷而致密的里德伯铷原子样品演化而来的超冷中性等离子体（UNPs）的渐近膨胀速度 $v_0$。由此，我们获得了有效初始等离子体电子温度 $T_{e,0} = m_{ion} v_0^2/k_B$（其中 $m_{ion}$ 为 Rb$^+$ 离子质量）随原始里德伯原子密度和束缚能 $E_{b,i}$ 变化的值。我们还对 UNPs 与大量里德伯原子储层的相互作用进行了数值模拟，以获得与实验结果比较的数据。我们发现，对于主量子数 $n > 40$ 的态，在里德伯原子密度范围为 $10^7 - 10^9$ cm$^{-3}$ 时，$T_{e,0}$ 对引发等离子体的初始电离机制不敏感。此外，量 $k_B \, T_{e,0}$ 与发生电离的原子比例强相关，且处于 $0.6 \times |E_{b,i}| \lesssim k_BT_{e,0} \lesssim 2.5 \times |E_{b,i}|$ 范围内。另一方面，一旦建立起阈值数量的离子，$n \lesssim 40$ 的里德伯样品演化出的等离子体不再有剩余原子的显著附加电离。等离子体电子与里德伯原子之间的主导相互作用使原子退激，这是一种与绝热冷却竞争以建立平衡的电子加热过程，其中 $T_{e,0}$ 由其库仑耦合参数 $\Gamma_e \sim 0.01$ 决定。