Die Komplexitat vieler interessanter physikalischen Systeme macht es nahezu unmoglich diese auf herkommlichen Computern zu simulieren. Feynmans Idee eines Quantensimulators fur komplexe Systeme von 1982 bietet die Moglichkeit komplexe Phanomene ausserhalb der Reichweite eines normalen Computers mithilfe von massgeschneiderten Hamiltonians zu studieren. Die Welt der ultrakalten Atome bietet dafur mit unerreicht sauberen Quantengassystemen und flexiblen aber hoch prazise kontrollierbaren Parametern hervorragende Eigenschaften. Ultrakalte Quantengase sind daher ein perfektes Werkzeug fur die Realisierung von Quantensimulatoren und der Untersuchung von Phasenraumdiagrammen von Modellsystemen. Diese Arbeit stellt ein neues Experiment fur Bose-Fermi-Mischungen im Hinblick auf Quantensimulationen in optischen Gittern und willkurlichen Lichtpotentialen mit hoher optischer Auflosung fur Detektion und Manipulation vor. Der Aufbau einschliesslich neuer Technologieentwicklungen wurde auf hohe Wartungsfreiheit und Robustheit optimimiert. Beide Quantenstatistiken und verschiedene Wechselwirkungsregime werden mit Hilfe von Feshbachresonanzen untersucht werden konnen. Alle Entscheidungen bezuglich des Designs und des Aufbaus wurden hinsichtlich der Umsetzung von optischen Gittern und eines hochauflosenden Abbildungssystems getroffen. Das magneto-optische Fangen von Bose-Fermi-Mischungen mit 87Rb und 40K und die Bose-Einstein Kondensation (BEC) von 87Rb wurde erstmals in dieser Arbeitsgruppe verwirklicht. Das Laserkuhlen mit divergenten Strahlen wurde dabei erfolgreich demonstriert. Im Rahmen neuer Technologieentwicklungen wurde ein robustes, flexibles, miniaturisiertes Lasersystem fur zwei unterschiedliche Spezies zur Laserkuhlung designt, aufgebaut und getestet. Ein neues kompaktes Spulendesign mit hohem optischen Zugang und geringer Verlustleistung wurde entwickelt und fur die Realisierung des BECs verwendet. Dabei ist einer der Magnetspulensatze fur homogene Magnetfelder fur die Anwendung von Feshbachresonanzen optimiert worden. Desweiteren wurde eine vielseitige Vakuumversiegelungstechnik mit Indium realisiert. All diese Technologieentwicklungen zielen auf einen kompakten und robusten Aufbau mit hoher Flexibilitat ab. Die Atome werden zunachst in einem 2D-3D MOT Komplex eingefangen und lasergekuhlt. Danach werden die Atome magnetisch gefangen und mithilfe beweglicher Spulen zur Science chamber transportiert. RF Evaporation in der magnetischen Quadrupolfalle kuhlt das Ensemble soweit herunter, dass die Atomwolke in eine optische Dipolfalle geladen werden kann in welcher weitere Evaporation zur Bose-Einstein Kondensation von 87Rb fuhrt. Der Aufbau hat somit das Regime der Quantengase erreicht, eine notwendige Vorraussetzung fur Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen.
Many interesting physical systems have one thing in common. Their complexity makes it impossible to simulate them on conventional computers. Feynman's idea of a quantum simulator for complex systems from 1982 gives the possibility to study complex phenomena out of the reach of normal computers with tailored Hamiltonians. The world of ultra cold atoms offers a wide range of tunable parameters combined with a degree of control in unprecedented clean systems. Ultra cold quantum gases are the ideal tool for the realisation of quantum simulators and the study of phase diagrams of model systems. This thesis presents a new setup for Bose-Fermi mixtures experiments with regard to quantum simulations in optical lattices and arbitrary light potentials with a high resolution for detection and atom manipulation. The setup was designed to be a low maintenance, robust tool box for quantum simulations incorporating new technology developments. Both fundamental quantum statistics can be observed and different interaction regimes can be investigated with the help of Feshbach resonances. From the beginning all decisions concerning the setup design take the implementation of optical lattices and a high resolution imaging system into account.
The magneto-optical trapping of Bose-Fermi mixtures with 87Rb and 40K and the Bose-Einstein condensation (BEC) of 87Rb had been achieved. Another aim in the context of this thesis was the development and testing of new versatile technologies. A robust, flexible, miniaturised dual species laser system for laser cooling had been setup and tested. A new narrow coil design allowing for high magnetic fields with great optical access at a low power dissipation had been developed and used for the realisation of the BEC. One of the magnetic coil sets had been optimised for homogeneous magnetic fields for the application of Feshbach resonances. Furthermore an indium sealing technique for vacuum chambers had been realised. All these technology developments aimed for a compact and robust setup with high flexibility. For the procedure the atomic sample was first laser cooled and trapped in a combined 2D-3D MOT complex before the atoms are magnetically trapped and transported with a linear rail over a macroscopic distance to the science chamber. In the science chamber the atoms were transferred to a different magnetic trap where forced RF evaporation cooled the atomic cloud further down. Loading the atomic cloud into an optical dipole trap and further evaporation lead to the Bose-Einstein condensate of 87Rb. Hence, the setup reached the quantum regime necessary for quantum simulation for further studies.
Die Komplexitat vieler interessanter physikalischen Systeme macht es nahezu unmoglich diese auf herkommlichen Computern zu simulieren. Feynmans Idee eines Quantensimulators fur komplexe Systeme von 1982 bietet die Moglichkeit komplexe Phanomene ausserhalb der Reichweite eines normalen Computers mithilfe von massgeschneiderten Hamiltonians zu studieren. Die Welt der ultrakalten Atome bietet dafur mit unerreicht sauberen Quantengassystemen und flexiblen aber hoch prazise kontrollierbaren Parametern hervorragende Eigenschaften. Ultrakalte Quantengase sind daher ein perfektes Werkzeug fur die Realisierung von Quantensimulatoren und der Untersuchung von Phasenraumdiagrammen von Modellsystemen. Diese Arbeit stellt ein neues Experiment fur Bose-Fermi-Mischungen im Hinblick auf Quantensimulationen in optischen Gittern und willkurlichen Lichtpotentialen mit hoher optischer Auflosung fur Detektion und Manipulation vor. Der Aufbau einschliesslich neuer Technologieentwicklungen wurde auf hohe Wartungsfreiheit und Robustheit optimimiert. Beide Quantenstatistiken und verschiedene Wechselwirkungsregime werden mit Hilfe von Feshbachresonanzen untersucht werden konnen. Alle Entscheidungen bezuglich des Designs und des Aufbaus wurden hinsichtlich der Umsetzung von optischen Gittern und eines hochauflosenden Abbildungssystems getroffen. Das magneto-optische Fangen von Bose-Fermi-Mischungen mit 87Rb und 40K und die Bose-Einstein Kondensation (BEC) von 87Rb wurde erstmals in dieser Arbeitsgruppe verwirklicht. Das Laserkuhlen mit divergenten Strahlen wurde dabei erfolgreich demonstriert. Im Rahmen neuer Technologieentwicklungen wurde ein robustes, flexibles, miniaturisiertes Lasersystem fur zwei unterschiedliche Spezies zur Laserkuhlung designt, aufgebaut und getestet. Ein neues kompaktes Spulendesign mit hohem optischen Zugang und geringer Verlustleistung wurde entwickelt und fur die Realisierung des BECs verwendet. Dabei ist einer der Magnetspulensatze fur homogene Magnetfelder fur die Anwendung von Feshbachresonanzen optimiert worden. Desweiteren wurde eine vielseitige Vakuumversiegelungstechnik mit Indium realisiert. All diese Technologieentwicklungen zielen auf einen kompakten und robusten Aufbau mit hoher Flexibilitat ab. Die Atome werden zunachst in einem 2D-3D MOT Komplex eingefangen und lasergekuhlt. Danach werden die Atome magnetisch gefangen und mithilfe beweglicher Spulen zur Science chamber transportiert. RF Evaporation in der magnetischen Quadrupolfalle kuhlt das Ensemble soweit herunter, dass die Atomwolke in eine optische Dipolfalle geladen werden kann in welcher weitere Evaporation zur Bose-Einstein Kondensation von 87Rb fuhrt. Der Aufbau hat somit das Regime der Quantengase erreicht, eine notwendige Vorraussetzung fur Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen.
Many interesting physical systems have one thing in common. Their complexity makes it impossible to simulate them on conventional computers. Feynman's idea of a quantum simulator for complex systems from 1982 gives the possibility to study complex phenomena out of the reach of normal computers with tailored Hamiltonians. The world of ultra cold atoms offers a wide range of tunable parameters combined with a degree of control in unprecedented clean systems. Ultra cold quantum gases are the ideal tool for the realisation of quantum simulators and the study of phase diagrams of model systems. This thesis presents a new setup for Bose-Fermi mixtures experiments with regard to quantum simulations in optical lattices and arbitrary light potentials with a high resolution for detection and atom manipulation. The setup was designed to be a low maintenance, robust tool box for quantum simulations incorporating new technology developments. Both fundamental quantum statistics can be observed and different interaction regimes can be investigated with the help of Feshbach resonances. From the beginning all decisions concerning the setup design take the implementation of optical lattices and a high resolution imaging system into account.
The magneto-optical trapping of Bose-Fermi mixtures with 87Rb and 40K and the Bose-Einstein condensation (BEC) of 87Rb had been achieved. Another aim in the context of this thesis was the development and testing of new versatile technologies. A robust, flexible, miniaturised dual species laser system for laser cooling had been setup and tested. A new narrow coil design allowing for high magnetic fields with great optical access at a low power dissipation had been developed and used for the realisation of the BEC. One of the magnetic coil sets had been optimised for homogeneous magnetic fields for the application of Feshbach resonances. Furthermore an indium sealing technique for vacuum chambers had been realised. All these technology developments aimed for a compact and robust setup with high flexibility. For the procedure the atomic sample was first laser cooled and trapped in a combined 2D-3D MOT complex before the atoms are magnetically trapped and transported with a linear rail over a macroscopic distance to the science chamber. In the science chamber the atoms were transferred to a different magnetic trap where forced RF evaporation cooled the atomic cloud further down. Loading the atomic cloud into an optical dipole trap and further evaporation lead to the Bose-Einstein condensate of 87Rb. Hence, the setup reached the quantum regime necessary for quantum simulation for further studies.
ZUSAMMENFASSUNG Kalte Quantengase und speziell die Bose-Einstein-Kondensation bilden seit ihrer ersten Realisierung im Jahr 1995 ein neues und schnell wachsendes Forschungsfeld.Interessante quantenmechanische Phänomene wie Materiewellen-Interferenzen, Superfluidität, Solitonen oder Bloch-Oszillationen werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht.Auf dem Gebiet der Quantensensorik können solche Kondensate als ideale kohärente atomare Quelle dienen.Quantensensoren bieten vielversprechende Anwendungen vom Gebiet der Geodäsie über die Metrologie bis hin zu wichtigen Fragestellungen der fundamentalen Physik wie z.B.Tests des Äquivalenzprinzips.Hochpräzise Inertialsensoren können mit frei fallenden Atomen realisiert werden, die Empfindlichkeit steigt dabei quadratisch mit der Flugzeit.Eine Erhöhung der Sensitivität auf diesem Wege stellt hohe Anforderungen an die Minimierung der Temperatur der atomaren Ensembles und an die Realisierung einer vibrationsarmen Umgebung.Die Schwerelosigkeit bietet bei vielen dieser Fragestellungen den Vorteil von bisher unerreichten Regimes der kältesten Temperaturen, Erreichen makroskopischer Dimensionen der Materiewellenlänge sowie lange und ungestörte freie Entwicklungszeiten im Sekundenbereich.Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Realisierung eines Bose-Einstein Kondensates (engl."Bose-Einstein Condensate", BEC) in schwereloser Umgebung aufgebaut und das erste Bose-Einstein Kondensat unter Mikrogravitation verwirklicht.Für die Umsetzung des Projektes wurde als Mikrogravitationsplattform der Fallturm in Bremen gewählt, der mit 4,7 Sekunden freiem Fall, einer Repetitionsrate von 3 Experimenten am Tag, einer Mikrogravitationsgüte von ∆g/g < 10 -5 im Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz und einer relativ leichten Zugänglichkeit zum Experiment die ideale Plattform darstellt.Der geringe Nutzraum von 170 cm Höhe und 60 cm Durchmesser, die Restriktion der zur Verfügung stehenden Energie durch Batterieversorgung, das maximal zulässige Gesamtgewicht von 500 kg sowie die notwendige Fernsteuerung des Experiments sind Rahmenbedingungen, die diesen Aufbau zum Prototypen eines mobilen BEC-Experiments für den Einsatz in ballistischen Raketen (TEXUS-Programm) oder im Weltraum (Raumstation ISS, Raumtransporter ATV) machen.Realisiert wird das Bose-Einstein-Kondensat durch einen Atomchip [1], der die benötigten Magnetfelder für die Speicherung und Manipulation der eingesetzten Rubidiumatome bereitstellt.Atomchips bieten den Vorteil der geringen Energieaufnahme bei gleichzeitiger Erreichung größter Magnetfeldgradienten, was die für das Erreichen eines Bose-Einstein Kondensates notwendige evaporative Kühlung in den temporalen Bereich von einer Sekunde bringt.Hierdurch erst lässt sich das BEC während des freien Falls von 4,7 Sekunden generieren.Die Planung und die Umsetzung des Experimentes zielten auf eine robuste Apparatur für den Einsatz unter hohen Abbremsbeschleunigungen (50 g) ab.Die Integration aller Komponenten in die Apparatur sowie die Optimierung der Bose-Einstein Kondensation erfolgte zunächst am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität in Hannover und wurde nach Abschluss der Tests an das "Zentrum für angewandte Raumfahrt und Mikrogravitation, ZARM" überführt.Mit der Realisierung des ersten schwerelosen Kondensates am 13.11.2007folgte im März 2008 die erste freie Entwicklung eines Kondensates im Zeitraum von einer Sekunde.Mit diesem Experiment sind neue Wege für viele Anwendungen gerade im Bereich der hochpräzisen Messungen durch Atominterferometer oder der Untersuchung von Kondensaten auf makroskopischen Längenskalen geschaffen worden.Die Konvergenz von hochsensiblen optischen Systemen, kalten Quantengasen auf der einen Seite und weltraumtauglichen, kompakten und ferngesteuerten Experimenten auf der anderen Seite ist demonstriert.
Seit der Beobachtung von Bose-Einstein-Kondensation in einkomponentigen bosonischen Gasen und der Realisierung von spin-polarisierten idealen Fermigasen entwickelt sich das (noch sehr junge) Feld der ultrakalten Quantengase rasch in Richtung mehrkomponentiger Gase. Das letztendlich weiteste Spektrum an Moglichkeiten fur quantenmechanische Simulation, ultrakalte Chemie, exotische Paarbildungsmechanismen, Unordnungsphanomene und langreichweitige Wechselwirkung wird eroffnet durch Mischungen unterschiedlicher atomarer Elemente mit unterschiedlicher Statistik, unterschiedlichen Wechselwirkungen und Massen.
Diese Dissertation stellt Experimente in einem System wechselwirkender, entarteter Mischungen aus fermionischen 40K und bosonischen 87Rb Quantengasen vor. Ein zusammen mit S. Ospelkaus aufgebautes Experiment zur Erzeugung von Fermi-Bose Mischungen wird detailliert vorgestellt.
Bose-Einstein-Kondensation von 87Rb und die Erzeugung eines quantenentarteten Fermigases aus 40K wird demonstriert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Mischungen aus 87Rb und 40K mit den bislang grosten Teilchenzahlen realisiert. Die entsprechend hohen Dichten fuhren zur Beobachtung starker kontrahierender Effekte der attraktiven Fermi-Bose-Wechselwirkung, die das Verhalten der Mischung fundamental beeinflussen. Eindeutige Signaturen eines Kollapses fur grose Mischungen werden aufgezeigt, und das dynamische Verhalten der kollabierenden Mischung wird untersucht. Die beobachteten Instabilitaten haben wichtige Konsequenzen fur die Bestimmung der Wechselwirkungsparameter.
Erstmalig wird die Durchstimmung heteronuklearer Wechselwirkung mittels Feshbach-Resonanzen demonstriert. Dies fuhrt zur Beobachtung aller Phasen harmonisch gespeicherter Mischungen: stabile, attraktiv oder repulsiv wechselwirkende Mischungen sowie Phasenseparation und ein kontrollierter Feshbach-induzierter Kollaps.
Das hier beschriebene Experiment wurde von Beginn an fur Messungen in dreidimensionalen optischen Gittern ausgelegt. Fur homonukleare Systeme hat weltweit eine beeindruckende Reihe von Ergebnissen gezeigt, dass solche perfekten optischen Kristallgitter als Quantensimulatoren fur Festkorperphanomene dienen konnen. In dieser Dissertation wurde erstmalig eine Fermi-Bose Mischung in ein dreidimensionales optisches Gitter geladen. Dabei wird beobachtet, dass schon eine kleine Beimengung von fermionischen Atomen die Koharenz der bosonischen Wolke in betrachtlichem Mase beeinflusst. Diese Beobachtung ist momentan Gegenstand intensiver theoretischer Untersuchungen; es werden Beziehungen zu Thermodynamik im Gitter, Modellen in Naherung und unordnungsgetriebenen Lokalisierungsphanomenen in Festkorpern diskutiert.
Als wichtiger Schritt fur heteronukleare Systeme wird die Erzeugung ultrakalter Feshbach-Molekule vorgestellt. Diese ultrakalte chemische Reaktion findet an einer heteronuklearen Feshbachresonanz statt. Das beobachtete Spektrum der Bindungsenergien und die Effizienz der Molekulassoziation werden im Rahmen eines universellen Modelles (in Zusammenarbeit mit F. Deuretzbacher, K. Plassmeier und D. Pfannkuche) untersucht. Die langlebigen Molekule werden an einzelnen Gitterplatzen eines dreidimensionalen optischen Gitters in einem wohldefinierten Rovibrationszustand erzeugt, was sie zu idealen Kandidaten fur einen weiteren Transfer in den absoluten internen und externen Grundzustand mittels Femtosekunden-Frequenzkammtechnologie macht. Solche ultrakalten polaren Molekuleeignen sich als Bausteine neuartiger skalierbarer Quantencomputer, fur Quantengase mit langreichweitiger Wechselwirkung und fur fundamentale Messungen zu diskreten Symmetrieverletzungen in Atomen.
Starting with the observation of Bose-Einstein condensation in single-component bosonic gases and Fermi degeneracy in spin-polarized Fermi gases, the (still relatively young) field of ultracold quantum gases is rapidly expanding to studies of mixed systems. Ultimately, mixtures of different atomic species with different statistics, different trapping properties, interactions and masses open up the widest spectrum of possibilities for quantum simulation, ultracold chemistry, exotic pairing phases, disorder-related many-body physics and long-range interacting systems.
This thesis presents experiments in a system of interacting quantum degenerate fermionic 40K and bosonic 87Rb atoms. An experimental setup for producing Fermi-Bose mixtures which has been set up together with S. Ospelkaus is described in detail. The observation of both bosonic and fermionic degeneracy is demonstrated; in the case of fermionic atoms, showing the quantum behavior requires thorough analysis, which is rewarded by the observation of an ideal macroscopic Fermi sea.
This thesis presents mixtures with the so far largest particle numbers for the 40K-87Rb system and discusses measurements with high densities where strong mean-field contracting interaction effects affect the behavior of the mixture. Clear signatures of the mean field collapse of large mixtures are observed, the dynamics of the collapsing sample is studied and important consequences for the interaction parameters are discussed.
Tuning of interactions in a harmonically trapped heteronuclear mixture by means of Feshbach resonances is demonstrated for the first time, allowing all phases of the harmonically trapped mixture to be observed: stable heteronuclear interaction and repulsion as well as phase separation and a controlled Feshbach-induced collapse.
From the very beginning, the setup described here has been designed for experiments in 3-dimensional optical lattices. In recent years, an impressive series on experiments with homonuclear systems has shown that such perfect optical crystals can be used as quantum simulators for condensed-matter phenomena. Within this thesis, a heteronuclear system, in particular a Fermi-Bose mixture, has been loaded into a 3D optical lattice for the first time, and only a very small fraction of fermionic impurities has been found to significantly reduce the coherence in the bosonic cloud. The observations are currently the subject of intense theoretical analysis, and there are important connections to thermodynamics, advanced mean field models and disorder physics.
As a long-awaited step for heteronuclear systems, formation of ultracold Feshbach molecules from two different atomic elements is demonstrated. This ultracold chemical reaction takes place at temperatures in the nK regime at a heteronuclear Feshbach resonance. A detailed understanding of the observed energy spectrum and the molecular association process has been developed in collaboration with F. Deuretzbacher, K. Plassmeier and D. Pfannkuche in terms of a universal model. Long-lived molecules are produced within single wells of the 3D-optical lattice in a well-defined rovibrational state, which makes them an ideal basis for coherent transfer into both the external and internal ground state using readily available femtosecond technology. Such all ground state polar molecules open up the way towards ultracold long-range dipolar interacting systems. They may be used as building blocks of novel quantum gases, scalable quantum computation schemes and for fundamental measurements of P and T violating effects in atoms.
Die kohärente Kontrolle von Quantenzuständen ist Gegenstand von Untersuchungen seitdem Quantensysteme in Laboren erzeugt werden. Die Aussicht, eines Tages einen Quantencomputer realisieren zu können, der Kohärenzeigenschaften von Quantensystemen nützt um die verfügbare Rechenleistung zu vervielfachen, ist dafür selbstverständlich eine wichtige Motivation, jedoch nicht die einzige. Präzise Kontrolle ermöglicht es, Systeme in bestimmten Quantenzuständen zu präparieren und zu manipulieren, etwa um Präzessionsmessungen zu realisieren. Ultrakalte Atome sind ein ideales Modellsystem für fortgeschrittene Kontrollschemata. Von ihrer Umgebung isoliert, verfügen sie über lange Kohärenzzeiten; gleichzeitig ist ihre Reaktion auf externe Anregungen im Vergleich zu anderen Systemen relativ einfach zu untersuchen. Außerdem können unterschiedliche Parameter über einen weiten Bereich abgestimmt werden, wie etwa die Dichte oder Wechselwirkungsstärke. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, ein Spektrum von Quantentheorien experimentell zu untersuchen. Kohärente Kontrolle von Quantenzuständen in Systemen aus ultrakalten Atomen ist deshalb ein reiches Forschungsgebiet, das sowohl für fundamentale Tests der Quantentheorie als auch für praktische Anwendungen vielversprechend ist. In dieser Dissertation wurde ein Schema entwickelt um Bewegungszustände eines Bose-Einstein Kondensates gezielt zu manipulieren. Dies geschieht auf eine Art die nicht nur die Kohärenzeigenschaften des Systems bewahrt, sondern auch schnell im Vergleich zur typischen Zeitskala des Systems ist. Experimentell umgesetzt wird dies in einem elongierten Kondensat auf einem Atomchip, welches ursprünglich im transversalen Grundzustand des Fallenpotentials ist. Das Kondensat wird entlang der transversalen Richtung verschoben um höhere Bewegungszustände anzuregen. Mithilfe der Theorie der optimalen Kontrolle wird die Verschiebung des Kondensats optimiert um bestimmte Bewegungszustände oder deren ü berlagerung zu erhalten. Die Optimierungen der 'Schüttelpulse' basieren auf einer Beschreibung des Kondensates in einer mean-field Näherung. Verschiedene Überlagerungen von Bewegungszuständen konnten sowohl theoretisch als auch experimentell in 1.1 ms mit einer Effizienz von mehr als 98 % erreicht werden. Diese Art der Kontrolle wurde angewandt um erstmals ein Interferometer mit Bewegungszuständen zu realisieren. Die beiden Pfade des Interferometers sind hier der Grundzustand und erste tranversal angeregte Zustand. In der Zeit zwischen den beiden optimierten Bewegungspulsen die als Strahlteiler dienen, wird eine Phase akkumuliert. Die Herausforderung bei diesem Schema besteht darin, einen effizienten Puls für alle Phasen zu finden. Das Interferometer wurde numerisch optimiert und erfolgreich experimentell umgesetzt und lieferte einen Kontrast von 92 %. Die so erzeugten ü berlagerungen von Bewegungszuständen sind nicht stabil und es wurde eine Dämpfung auf einer Zeitskala von 10 ms beobachtet. Um ein besseres Verständnis zu erlangen wurden einige Dämpfungsmechanismen in Betracht gezogen und theoretische Modelle entwickelt. Insbesondere werden Dekohärenz und Dephasierung entlang der axialen Richtung des Kondensates untersucht. Ein transversales Vielteilchen- Modell, das drei Bewegungszustände beinhaltet, wurde entwickelt um daraus die Zeitskalen der Dämpfung sowie die Abhängigkeit von Parametern wie Atomzahl und Temperatur abzuleiten und mit den experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse demonstrieren schnelle und effiziente Kontrolle über Vibrationszustände und ebnen den Weg für praktische Anwendungen, wie etwa ein Interferometer mit Bewegungszuständen. Außerdem eröffnen sie eine neue Richtung für fundamentale Fragestellungen zur Nichtgleichgewichtsphysik in geschlossenen Systemen.
Die theoretische und experimentelle Untersuchung stark korrelierter Quantensysteme im und ausserhalb des Gleichgewichts ist in den letzten Jahren zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt in der Physik der kondensierten Materie geworden. In dieser Habilitationsschrift werden anhand eigener Beiträge aktuelle Entwicklungen diskutiert und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen des Feldes gegeben. Es wird dabei ein direkter Bezug von theoretischen Zugängen zu aktuellen Experimenten mit ultrakalten Gasen und mit stark korrelierten Materialien genommen. Insbesondere werden mikroskopische Modelle diskutiert, die zur Modellierung stark korrelierter Materialien (wie z.B. Quantenmagnete) herangezogen werden. Das zweite Thema der Schrift behandelt die Realisierung und Untersuchung von Quantenvielteilcheneffekten in aktuellen Experimenten mit ultrakalten Gasen durch sogenannte Quantensimulatoren. Ziel ist es, aufgrund theoretischer Überlegungen Vorhersagen zur Emulation stark korrelierter Systeme zu treffen und, basierend auf numerisch exakten Simulationen, Vorhersagen für die Experimente zu treffen. Da solche Experimente insbesondere auch ausserhalb des Gleichgewichts durchgeführt werden können, knüpft dies direkt an das dritte Thema der Schrift an, in dem die Physik von Quantenvielteilchensystemen ausserhalb des Gleichgewichts untersucht wird. Dazu gehören die Behandlung des Relaxationsverhaltens nach sogenannten Quantum Quenches und Fragestellungen zum Transport, die hier anhand von Situationen auf optischen Gittern diskutiert werden. Die drei Themenbereiche werden überspannt von der Fragestellung, wie man neuartige Quantenzustände realisieren kann, und wie man diese charakterisieren kann. Ausserhalb des Gleichgewichts erwächst die Fragestellung, ob durch das Relaxationsverhalten ungewöhnliche Zustände erzeugt werden können. Wie in dieser Arbeit diskutiert, ergeben sich in der Tat unerwartete Ergebnisse, wie die Bildung negativer Temperaturen, oder das Anwachsen der Teilchendichte verursacht durch repulsive Wechselwirkungen. Im Gleichgewicht kann das Vorhandensein starker Magnetfelder zu interessantem Verhalten führen, wie anhand verschiedener Systeme diskutiert wird. Hervorzuheben sind hier die Bildung unkonventioneller Mott-Isolatoren, von Phasen mit 'spin-nematischer' Ordnung, und unkonventionelle Quantenphasenübergänge. Eine aktuelle Entwicklung der aktuellen Forschung behandelt die Bildung sogenannter topologischer Phasen, die nicht durch einen lokalen Ordnungsparameter beschrieben werden und sich somit der Charakterisierung im Rahmen der Landau-Theorie von Phasen und Phasenübergängen entziehen. Aktuelle Fragestellungen sind die Realisierung solcher Phasen im Vorhandensein von Wechselwirkungen, auch langreichweitiger Natur, wie sie in Quantensimulatoren mit polaren Molekülen in Erscheinung treten. In dieser Schrift wird diskutiert, wie diese Fragestellungen durch einen numerischen Zugang - die Dichtematrixrenormierungsgruppe - behandelt werden können und wie diese sehr flexible Methode zu interessanten Einsichten in die facettenreiche Physik stark korrelierter Quantensysteme führt.
Die Quantensimulation ist ein leistungsstarkesWerkzeug zur Untersuchung hoch korrelierter Systeme. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung experimenteller Daten in Szenarien, in denen numerische Methoden die Komplexität von Vielteilchenproblemen nicht zuverlässig bewältigen können. In den letzten zehn Jahren haben Plattformen mit ultrakalten atomaren Gasen ihre Vielseitigkeit und Eignung als Quantensimulatoren unter Beweis gestellt. Heute liegt ein zentraler Schwerpunkt auf dem Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung auf mikroskopischer Ebene, wo die Fermi-Flüssigkeitstheorie und die Beschreibung der Supraleitung durch Cooper-Paare versagen. Ironischerweise sind ultrakalte Atomplattformen trotz ihrer niedrigen absoluten Temperaturen immer noch zu heiß, um das gesamte Fermi-Hubbard-Phasendiagramm zu untersuchen. Es werden weiterhin neue Wege zur Senkung der Temperaturen erforscht, um bisher unzugängliche Bereiche zu erkunden. In dieser Arbeit wird ein neues Quantengas-Experiment mit 166Er-6Li vorgestellt und die ersten experimentellen Ergebnisse präsentiert. Die Apparatur wird detailliert beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf den Er-Subsystemen liegt. Die verschiedenen Kühlstufen werden charakterisiert: Die Zeeman-Kühlung- und die “Angled slowing”, die in Kombination mit einer schmalbandigen magneto-optischen Falle verwendet werden, bilden den Ausgangspunkt. Der anschließende Transfer in eine optische Dipolfalle und der Transport über große Entfernungen mit einem optischen Gitter werden ebenfalls detailliert beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf dem Design und der Charakterisierung der Transportvorrichtung liegt. Die transportierten Atome werden in eine zweite optische Dipolfalle übertragen, die in einer Glaszelle localiziert ist, dort wird anschließend die exakte Vermessung einter tune-out Wellelänge von Er vorgenommen. Die Anisotropie der Ausstimmung wurde verwendet, um den Tensorwert der Polarisierbarkeit von Er zu bestimmen. Der dissipationsfreie Charakter der Falle wurde durch Lebensdauermessungen beider Spezies in ihren jeweiligen Fallen bestätigt. Schließlich wird über die erste Herstellung einer quantenentarteten Mischung aus 166Er und 6Li berichtet, die die Effizienz der sympathischen Kühlung von Li durch Er demonstriert. Dieses Ergebnis markiert den ersten Meilenstein für dieses Experiment, das darauf abzielt, mit einem Fermi-Gas ein bisher unerreichtes Maß an Entartung zu erreichen.
Thema der vorliegenden Arbeit ist die Bose-Einstein-Kondensation stark verdünnter atomarer Gase. Nach einer Einführung in die Theorie solcher schwach wechselwirkender Quantengase und einer Zusammenfassung wesentlicher experimenteller Ergebnisse aus dem Gebiet der Bose-Einstein-Kondensation wird zunächst die Physik ultrakalter, in Atomfallen gefangener Fermigase diskutiert. Dieses Gebiet hat sich in den letzten Jahren parallel zu dem der kondensierten Bosegase stark entwickelt und bietet vielversprechende Möglichkeiten, Modelle wie die BCS-Theorie erstmals in fast idealen Fermigasen zu untersuchen. Es werden Ergebnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften solcher Gase vorgestellt, die vor allem für mesoskopische Teilchenzahlen (unter 1000) relevant sind. Dabei wird insbesondere auf Schaleneffekte bei der Dichteverteilung in einer Atomfalle und bei der Wärmekapazität eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Physik von Atomlasern diskutiert. Als "Atomlaser" bezeichnet man Systeme, die in der Lage sind, kohärente Materiewellen aus Atomen zu erzeugen. Die einem Bose-Einstein-Kondensat inhärente Kohärenz wird in Experimenten genutzt, um mittels eines kohärent arbeitenden Auskoppelmechanismus solche Atomstrahlen herzustellen. Die zugehörige Physik wird durch die so genannte Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben, einer Art nichtlinearen Schrödingergleichung für die Wellenfunktionen der beteiligten Hyperfeinzustände des Bose-Einstein-Kondensats aus 87Rb-Atomen. In der vorliegenden Arbeit wurden unter anderem die Auskoppelstärke mittels analytischer und vor allem numerischer Methoden untersucht. Darüber hinaus konnten Aussagen über das zeitliche Verhalten von Atomlasern gewonnen, die mit zwei Radiofrequenzen betrieben werden. In diesem Fall wird der Atomstrahl aus zwei interferierenden Materiewellen verschiedener Energie gebildet, sodass kohärente, atomare Pulse mit makroskopischen Dimensionen auftreten. Im letzten Abschnitt wird mit der Spurafluidität ein weiterer, sehr interessanter Aspekt von kondensierten Bosegasen behandelt. Nach einer Einführung in die Bestimmung quantenstatistischer Eigenschaften von Vielteilchensystemem mithilfe von Pfadintegral-Monte-Carlo-Verfahren wird der suprafluide Anteil eines kondensierten Bosegases mit verschiedenen Approximationen berechnet. Dazu wird neben den Pfadintegralen eine auf so genannten Permutationszykeln beruhende Methode eingesetzt, mit der man die Zustandssumme von Bosonen im kanonischen Ensemble und damit auch viele andere Größen ausrechnen kann. Auf diese Weise konnte der suprafluide Anteil eines idealen Bosegases im kanonischen Ensemble erstmals vollständig quantenmechanisch exakt ermittelt werden.