Multi component Bose-Einstein condensates [Elektronische Ressource] : from mean field physics to strong correlations / vorgelegt von Christoph Becker

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• Publié par: universitat_hamburg
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 19
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Multi component Bose-Einstein
condensates
From mean field physics to strong
correlations
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
des Departments Physik
der Universitat Hamburg
vorgelegt von
Christoph Becker
aus Lahnau
Hamburg
2008Gutachterin/Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. Klaus Sengstock
Prof. Dr. Werner Neuhauser
Gutachter der Disputation: Prof. Dr. Klaus Sengstock
Prof. Dr. Gun ter Huber
Datum der Disputation: 28.01.2009
Vorsitzender des Prufungsaussc husses: Dr. Klaus Petermann
Vorsitzender des Promotionsausschusses: Prof. Dr. Robert Klanner
Dekan der Fakultat fur Mathematik,
Informatik und Naturwissenschaften: Prof. Dr. Arno Fruh waldFur LottaZusammenfassung
Die Physik ultrakalter Quantengase stellt sich heutzutage als ein hochaktives und vielseit-
iges Forschungsfeld dar. Im Rahmen dieser Dissertation konnten fundamentale Erkennt-
nisse zu unterschiedlichen Phanomenen in Bose-Einstein Kondensaten gewonnen werden,
welche vollig verschiedenen Wechselwirkungsbereichen zuzuordnen sind.
Erstmals wurden Experimente durchgefuhrt, die als eines der Paradigmen nichtlinear-
er Physik die Dynamik extrem langlebiger dunkler Solitonen zeigen. Solitonen, die sich
als formstabile Wellenpakete auszeichnen, resultieren aus einer Kompensation der Dis-
persion durch eine entgegengerichtet wirkende nichtlineare Wechselwirkung. Oszillatio-
nen von dunklen Solitonen in elongierten Bose-Einstein Kondensaten wurden beobachtet
und eine sehr gute Ubereinstimmung mit der theoretisch erwarteten Oszillationsfrequenzp
von != 2 wurde gefunden. Desweiteren konnten im Verlauf dieser Arbeit Experimente
durchgefuhrt werden, bei denen die Kollisionen unterschiedlich tiefer dunkler Solitonen
untersucht wurden. Es war dadurch moglich die Solitonen uber den Kollisionszeitpunkt
hinaus zu verfolgen. Als ein zentrales Ergebnis wurde gezeigt, dass Solitonen sich im Ver-
lauf der Kollision durchdringen ohne einen nennenswerten Ein uss aufeinander auszu uben,
was in Ubereinstimmung mit der theoretischen Beschreibung von Solitonen als schwach
wechselwirkende Quasiteilchen steht. Daruber hinaus konnten diese Studien durch Unter-
suchungen an ’gefullten’ Solitonen abgerundet werden.
Als ein wesentliches Forschungsziel wurde im Verlauf dieser Dissertation ein optisches
Gitter mit einer Dreieckssymmetrie aufgebaut, um die experimnetelle Grundlage fur die
Untersuchung stark korrelierter ultrakalter Atome in einer neuartigen Geometrie zu schaf-
fen. Es konnte eine Polarisationsabhangigk eit des periodischen Potentials herausgestellt
werden, welche die Untersuchung neuartiger magnetischer Phasen ermoglic hen sollte. Ex-
perimente zum Quantenphasenubergang zwischen Super uid und Mott-Isolator in drei-
als auch zweidimensionalen Systemen mit Dreieckssymmetrie wurden durchgefuhrt und
analysiert. Unterschiede als auch Gemeinsamkeiten zu fruheren Ergebnissen, die in kubis-
chen Gittern gewonnen wurden, konnten nachgewiesen und auf Unterschiede der entschei-
denden Gitterparameter, wie etwa Tunnelenergie und Wechselwirkung, zuruckgefuhrt wer-
den.
Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit widmet sich Untersuchungen zur Dynamik
von mehrkomponentigen Spinor Bose-Einstein Kondensaten. In entsptrechend spinun-
abhangigen Fallenpotentialen, wie sie durch optische Dipolfallen realisiert werden konnen,
lasst sich die Physik Bose-kondensierter Materie auf eine zusatzliche Dynamik der inneren
Freiheitsgrade, in diesem Fall des Spins, erweitern. Die im Rahmen dieser Dissertation
durchgefuhrten Experimente zur Physik mehrkomponentiger Quantengase konzentrieren
sich auf die koharen te zeitliche Entwicklung des vektoriellen Ordnungsparameters eines
87Spinor Kondensates, gemeinhin als Spindynamik bezeichnet. Rb Kondensate mit Spin-1
als auch Spin-2 wurden untersucht und als ein zentrales Ergebnis konnte erstmals eine Spin-
dynamikresonanz vermessen werden, welche aus der Konkurrenz zwischen spinabhangiger
Wechselwirkung and quadratischem Zeemane ekt heraus entsteht.Abstract
During the last decade the physics of ultracold quantum gases has matured into a highly
active and versatile eld of research. Within the framework of this thesis experiments
dedicated to the physics of Bose-Einstein condensates have been performed and diverse
phenomena, which are distinguished by fundamentally di erent regimes of interaction,
could be investigated.
For the rst time the dynamical evolution of long-lived dark solitons has been studied as
a paradigm of non-linear physics. Solitons, characterized as non-spreading wave packets,
are stabilized against dispersion by a suitable non-linear interaction. It has been pos-
sible to observe oscillations of dark solitons in elongated Bose-Einstein condensates andp
good agreement with the theoretically predicted oscillation frequency of != 2 has been
obtained. Moreover experiments have been conducted which address the collision of two
dark solitons distinguished by di erent depths. This particular feature enabled the identi-
cation of the individual solitons beyond the actual collision process and as a central result
it could be shown, that these peculiar entities interpenetrate without signi cantly in uenc-
ing each other. The theoretical description of solitons as weakly interacting quasi particles
is in good agreement with these ndings. Continuative studies on vectorial "dark-bright"
solitons and their dynamical properties complement the investigations on dark solitons.
A central goal of this dissertation has been the design and implementation of an optical
lattice with an underlying triangular symmetry in order to investigate strongly correlated
ultracold atoms in a novel experimental geometry. Exhibiting an explicit polarization de-
pendence the optical lattice realized here should allow for the creation and analysis of thus
far unexplored magnetic phases. Experiments attending to the quantum phase transition
from a super uid to a Mott-insulating state in a three- as well as in a two-dimensional
system with triangular symmetry have been performed. Similarities as well as di erences
to the ndings obtained in cubic lattices have been worked out and could be attributed to
the inherent di erences in the crucial lattice parameters such as tunneling energy J and
onsite interaction U.
Devoted to the dynamics of spinor condensates, a third part of this thesis concerns the
physics of multi component quantum gases. Employing suitable spin-independent trapping
potentials the physics of Bose-Einstein condensates may be extended to the investigation
of the static and dynamical properties of internal degrees of freedom, in this case the spin
of the atoms. The measurements presented here concentrate on the coherent dynamical
87evolution of the vectorial order parameter of a spinor condensate. Rb condensates with
F = 1 andF = 2 have been studied and the existence of a spin dynamics resonance, caused
by the competition between spin-dependent non-linear interaction and quadratic Zeeman
e ect was demonstrated for the rst time.Publikationen Publications
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit The following research articles have been
sind die folgenden wissenschaftlichen published in the course of this thesis.
Vero en tlichungen entstanden.
[1] C. Becker, P. Soltan-Panahi, S. D orscher, J. Kronj ager, K. Bongs and K. Sengstock,
Mott insulator transition in a triangular optical lattice, to be submitted to Phys.
Rev. Lett.
[2] S. Stellmer, C. Becker, P. Soltan-Panahi, E. M. Richter, S. D orscher, M. Baumert,
J. Kronj ager, K. Bongs and K. Sengstock, Collisions of dark solitons in elongated
Bose-Einstein condensates, Phys. Rev. Lett. 101 202020 (2008)
[3] C. Becker, S. Stellmer, P. Soltan-Panahi, S. D orscher, M. Baumert, E. M. Richter,
J. Kronj ager, K. Bongs and K. Sengstock, Oscillations and interactions of dark and
dark-bright solitons in Bose-Einstein condensates, Nature physics 4 496 { 501 (2008)
[4] J. Kronj ager, C. Becker, P. Navez, K. Bongs and K. Sengstock, Magnetically tuned
spin dynamics resonance, Phys. Rev. Lett. 97 110404 (2006)
[5] J. Kronj ager, C. Becker, M. Brinkmann, R. Walser, P. Navez, K. Bongs and K.
Sengstock. Evolution of a spinor condensate: Coherent dynamics, dephasing, and
revivals, Phys. Rev. A 72, 063619 (2005)
Vortrage und Poster Talks and posters
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wur- The following talks and posters have been
den folgende wissenschaftliche Vortrage und presented in the course of this thesis.
Poster prasentiert.
Workshop on Strong Correlations in Multi avor Ultracold Quantum Gases C. Becker, Physics
with Spinor Bose-Einstein Condensates, talk; Munc hen, 10/2008,
DPG Fruhjahrstagung C. Becker, Spinor BEC in triangular optical lattices, talk; Dussel-
dorf, 3/2007
YAO Meeting C. Becker, Spinor Bose Einstein Condensates, talk; Innsbruck, 3/2004
Workshop on Disorder in Ultracold Quantum Gases C. Becker, Spinor Condensates: Mag-
netization Waves, Triangular Lattices and Solitons, poster; Leiden, 9/2007
Workshop on Disorder in Ultracold Quantum Gases C. Becker, Spinor BEC in triangu-
lar optical lattices, poster; Barcelona, 2/2007
Workshop on Spinor Bose Einstein Condensates J. kronj ager and C. Becker, Evolution
of Spinor BEC in External Fields, poster; Barcelona, 9/2005
Ecole predoctorale Laser cooling and applications C. Becker, Spinor physics with cold
87Rb quantum gas