Doubly excited helium: from strong correlation to chaos

Abstract

In the present dissertation, the double excitation states of helium including the autoionization decay of these states were studied experimentally and theoretically in a broad energy region, which includes the transition from strong correlation below the low single ionization thresholds (SIT) to the region of quantum chaos at energies very close to the double-ionization threshold. Two kind of experiments were performed, namely total-ion-yield measurements with the aim to observe total cross sections (TCS) and electron time-of-flight (TOF) measurements to obtain partial cross sections (PCS) as well as angular distribution parameters (ADP). Both types of measurements were performed at the third generation synchrotron radiation facility BESSY II in Berlin. The TCSs were recorded up to the SIT I15, and they were found to be in in excellent agreement with state-of-the-art complex-rotation calculations performed recently by D. Delande. These experimental and theoretical data on the TCSs were analyzed in order to study quantum chaos in doubly excited helium, and interesting signatures of quantum chaos were found. The TOF technique allowed to measure PCSs and ADPs in the energy regions from I5 to I9 and I7, respectively. These experimental data provide a critical assessment of theoretical models that can be used to explore the dynamics of strong correlation as well as quantum chaos in helium. In the theoretical part of this dissertation, the n- and l-specific PCSs and ADPs below I4 were calculated employing the R-matrix method. The present theoretical results agree well with a recent experimental study of l-specific PCSs below I4 by J.R. Harries et al.. An analysis of patterns in the PCSs and ADPs on the basis of the present experimental and theoretical l-specific data allowed to improve the present understanding of autoionization decay dynamics in this two- electron atom.

In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl experimentell als auch theoretisch Doppelanregungszustände des Heliums inklusive deren Zerfälle durch Autoionisation über einen breiten Energiebereich hin untersucht. Dieser Energiebereich spiegelt den Übergang von einem stark korrelierten System unterhalb der untersten Einfachionisationsschwellen (SIT) zu Quantenchaos in der Nähe der Doppelionisationsschwelle von Helium wider. Im Rahmen dieser Dissertation wurden zwei verschiedene Experimente durchgeführt. Zum einen wurden durch Messungen des Photoionisationsstromes die totalen Wirkunsquerschnitte (TCS) und zum anderen mit Hilfe von Flugzeit- Elektronenspektren die partiellen Wirkungsquerschnitte (PCS) und Winkelverteilungsparameter (ADP) gemessen. Diese beiden Experimente wurden an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Berlin durchgeführt. Die totalen Wirkungsquerschnitte wurden bis zur Einfachionisationsschwelle I15 vermessen und zeigen eine exzellente Übereinstimmung mit state-of-the-art complex- rotation Rechnungen, die erst kürzlich von D. Delande durchgeführt wurden. Diese experimentellen und theoretischen Daten für den totalen Wirkungsquerschnitt wurden dazu benutzt, den Übergang zu Quantenchaos in Helium zu studieren, wobei interessante und neuartige Signaturen des Quantenchaos gefunden wurden. Die Flugzeitspektren ermöglichten es, die Winkelverteilungsparameter und partiellen Wirkungsquerschnitte für den Energiebereich von der Schwelle I5 bis zur Schwelle I5 bzw. I9 zu messen. Diese Daten erlauben kritische Tests von Modellen, die dazu benutzt werden können, die starke Elektronenkorrelation und - damit verbunden - das Quantenchaos in Helium zu verstehen. In dem theoretischen Teil dieser Arbeit wurden die n- und l-spezifischen partiellen Wirkungsquerschnitte und Winkelverteilungsparameter bis zur Ionisationsschwelle I4 mit Hilfe der R -Matrix-Methode berechnet. Diese theoretischen Ergebnisse stimmen gut mit einer ersten experimentellen Untersuchung der l-spezifischen partiellen Wirkungsquerschnitte unterhalb der Ionisationsschwelle I4 überein, die von J.R. Harris et al. durchgeführt wurde. Die Analyse von Mustern in den partiellen Wirkungsquerschnitten und Winkelverteilungsparametern auf der Basis der l-spezifischen Daten, die sowohl experimentell als auch theoretisch erzielt wurden, erlaubt ein verbessertes Verständnis für die Autoionisation in dem Zweielektronenatom Helium.