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Titelaufnahme

Titel
Quantum dynamics in strongly correlated one-dimensional Bose gases / by Florian Meinert
VerfasserMeinert, Florian
Betreuer / BetreuerinNägerl, Hanns-Christoph
ErschienenInnsbruck, February 2016
Umfangix, 142 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Kumulative Dissertation aus sieben Artikeln
Datum der AbgabeFebruar 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Bose Einstein Kondensation (BEC) / Quanten-Vielteilchendynamik / Niederdimensionale Quantensysteme / Eindimensionale Quantensysteme / Quantensimulation / Mott Isolator / Bloch-Oszillationen / Lieb-Liniger
Schlagwörter (EN)Bose-Einstein-condensation (BEC) / Quantum-many-body-dynamics / low-dimensional quantum systems / one-dimensional quantum systems / quantum simulation / Mott insulator / Bloch oscillations / Lieb-Liniger
Schlagwörter (GND)Quantenmechanisches System / Vielteilchensystem / Bose-Gas / Ultrakaltes Atom
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-4356 Persistent Identifier (URN)
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Quantum dynamics in strongly correlated one-dimensional Bose gases [21.55 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Stark wechselwirkende Quanten-Vielteilchensysteme zeigen eine Vielzahl faszinierender Phänomene auf Grund ihres hohen Grades an Komplexität. In jüngster Zeit haben ultrakalte Atome in optischen Gitterpotentialen ganz neue experimentelle Wege eröffnet, die Physik solcher Systeme in besonders flexibler Weise zu untersuchen. Die außergewöhnlich gute Kontrolle über Systemparameter, wie beispielsweise die Gittereigenschaften, die Wechselwirkungsstärke zwischen den Atomen, oder die Dimensionalität des Quantensystems, erlaubt es im Speziellen, grundlegende Modelle aus der Festkörperphysik zu studieren. Beispiele hierfür sind Hubbard-Modelle oder Luttinger-Flüssigkeiten.

Von Interesse ist auf der einen Seite die "Quantensimulation" der niederenergetischen Grundzustandsphasen und deren Phasenübergänge. Darüber hinaus bieten Experimente mit kalten Atomen gleichzeitig die einzigartige Möglichkeit kohärente Vielteilchen-Quantendynamik, und die damit verbundenen Effekte, zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine Reihe experimenteller Studien zur Vielteilchendynamik stark wechselwirkender Bosonen in eindimensionalen (1D) Systemen.

Ein Cäsium Bose-Einstein-Kondensat in einem optischen Gitter dient der Realisierung eindimensionaler Gittersysteme, beschrieben durch das Bose-Hubbard Modell. Wir untersuchen kohärente Vielteilchen-Tunneldynamik im Mott-Isolator-Zustand des Systems, nachdem wir diesen plötzlich einer starken externen Kraft aussetzten, und damit das Gitterpotential "kippen". Die starke Wechselwirkung der Atome im Mott-Isolator führt zu resonanten und stark korrelierten Tunnelprozessen über eine kontrollierte Zahl von Gitterplätzen, wenn die Kraft die Wechselwirkungsenergie zweier Teilchen auf dem gleichen Gitterplatz kompensiert. Zunächst untersuchen wir kohärente Vielteilchendynamik für den Fall resonanten Tunnelns zwischen benachbarten Gitterplätzen. In diesem Regime lässt sich das Quantensystem auf ein Ising-Spin-Modell abbilden, das wir im Gleichgewichtsfall und im Nicht-Gleichgewichtsfall analysieren. Über die Tunneldynamik beobachten wir auch eine Modifikation der Tunnelrate auf Grund der Wechselwirkung zwischen den Teilchen, das sogenannte Dichteinduzierte Tunneln.

Des Weiteren untersuchen wir langreichweitiges Tunneln durch gleich mehrere Barrieren des Gitterpotentials. Diese Prozesse können Tunneltermen höherer Ordnung zugeordnet werden, wobei die jeweilige Ordnung gegeben ist durch die Zahl der durchdrungenen Barrieren. Im Experiment ermöglicht das die Beobachtung von Vielteilchendynamik die getrieben ist durch schwache Kopplungsterme, welche über die Ordnung der wichtigen Super-Exchange-Wechselwirkung hinausgehen. Eine Reihe weiterer Experimente widmet sich schließlich noch der Quantendynamik eines 1D Superfluids im gekippten Gitterpotential, die durch sogennante Bloch-Oszillationen gekennzeichnet ist. Im Fall wechselwirkender Teilchen beobachten wir eine quasi-periodische Zeitentwicklung auf Grund sogenannter "quantum phase revivals", und vermessen den Übergang zu quanten-chaotischem Verhalten.

Abschließend wird das eindimensionale Gas wechselwirkender Bosonen ohne zusätzliches Gitterpotential untersucht, beschrieben durch das Lieb-Liniger Modell. Wir vermessen das Anregungsspektrum des Vielteilchensystems vom schwach wechselwirkenden bis ins stark wechselwirkende Regime mittels Bragg-Spektroskopie. Damit zeigen wir den Einfluss sogenannter ''loch-artiger'' Anregungen auf die Form des Anregungsspektrums für das stark korrelierte 1D System.

Zusammenfassung (Englisch)

Strongly interacting quantum many-body systems and their inherent complexity give rise to fascinating novel phenomena in physics. In recent years, ultracold atomic gases prepared in optical lattice potentials have opened compelling new routes for experimental studies of many-body physics in a highly flexible environment. In particular, the unprecedented control over system parameters, such as lattice properties, the strength of particle interactions, or system dimensionality, allows for detailed studies of paradigmatic model Hamiltonians known from condensed matter physics, e.g. Hubbard models or Luttinger liquids.

The realization of such models with ultracold atoms not only allows for emulating low-energy phenomena, such as ground-state phases and quantum-phase transitions, but also provides the unique opportunity to investigate many-body systems far from equilibrium, and to study the diversity of phenomena emerging from the coherent evolution. This thesis covers a series of experiments investigating many-body dynamics in the context of strongly interacting bosons confined to a one-dimensional (1D) geometry.

A cesium Bose-Einstein condensate prepared in an optical lattice is employed to realize an array of 1D lattice systems, described by the Bose-Hubbard model. We study many-body coherent tunneling dynamics in the Mott insulating phase, after the ensemble is suddenly exposed to a strong force, which essentially tilts the lattice potential. Strong particle interactions in the Mott insulator result in resonant and highly correlated atom tunneling through a precisely controlled number of lattice sites when the tilt compensates for integer fractions of the on-site interaction energy. First, we observe coherent many-body dynamics for resonant tunnel coupling between neighboring lattice sites. In this regime, the system maps onto an effective Ising spin chain, which we analyze in detail for equilibrium and out-of-equilibrium situations. The coherent dynamics is further exploited to study a modification of the tunneling rate induced by particle interactions, the so-called density-induced tunneling.

Further, resonant long-range tunneling through multiple barriers of the lattice is investigated. These processes can be assigned to higher-order atom tunneling, where the specific order increases with the number of penetrated barriers. This allows us to observe many-body dynamics driven by small amplitude terms beyond the scale of the celebrated super-exchange. In another set of experiments, a 1D superfluid in the tilted lattice is explored, which exhibits so-called Bloch oscillations. In the presence of particle interactions we observe regular quasi-periodic evolution marked by quantum phase revivals, and map out the transition to a quantum chaotic behavior.

Finally, the lattice along the 1D systems is removed. This realizes an array of 1D Bose gases, each described by the Lieb-Liniger model. Employing Bragg-spectroscopy, we measure the excitation spectrum of the gas from the weakly to the strongly interacting regime. The role of the peculiar hole-type excitations in shaping the dynamical response of the strongly correlated 1D system is revealed.

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