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Physik in unserer Zeit

Ein Lichtkarussell für kalte Atome

Sonja Franke‐Arnold

Published Oct 26, 2007• 0 citations
Publisher

Abstract

Abstract Seit längerem ist es möglich, Atome in Lichtgittern einzusperren. Unserer Gruppe an der Universität Glasgow ist es gelungen, ringförmige Lichtgitter zu erzeugen, die sich drehen. Ziel ist es, Bose‐Einstein Kondensate in diesen rotierenden Gittern einzufangen und zu untersuchen. Die Anzahl der Gitterplätze, die Rotationsgeschwindigkeit und die Potentialbarrieren zwischen den einzelnen Gitterplätzen lassen sich einfach variieren.

DOI
10.1002/piuz.200790082

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•Jan 1, 2019•0 citations
Abstract Seit längerem ist es möglich, Atome in Lichtgittern einzusperren. Unserer Gruppe an der Universität Glasgow ist es gelungen, ringförmige Lichtgitter zu erzeugen, die sich drehen. Ziel ist es, Bose‐Einstein Kondensate in diesen rotierenden Gittern einzufangen und zu untersuchen. Die Anzahl der Gitterplätze, die Rotationsgeschwindigkeit und die Potentialbarrieren zwischen den einzelnen Gitterplätzen lassen sich einfach variieren.
Das Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik stark korrelierter Quantensysteme beinhaltet eine Vielzahl interessanter Fragestellungen, erweist sich dabei allerdings oftmals als schwer zugänglich für gängige numerische und analytische mathematische Methoden. In den letzten Jahren hat sich durch die experimentelle Realisierung gut kontrollierbarer quantenmechanischer Systeme die Möglichkeit eröffnet, Experimente als Quantensimulatoren für das Verhalten komplexer Vielteilchensysteme zu benutzen. Ultrakalte Atome in optischen Gittern eignen sich hervorragend als Simulatoren für simple Festkörpersysteme, da sich sämtliche Parameter der zugrunde liegenden Hamiltonoperatoren präzise kontrollieren lassen und der Zustand der Systeme mit einer Vielzahl an Messmethoden untersucht werden kann. In unseren Experimenten realisieren wir Bose-Hubbard Systeme durch ultrakalte 39K Atome in blau verstimmten optischen Gittern. Zusätzliche optische Dipolpotenziale und magnetische Feshbach-Resonanzen erlauben es uns dabei, die Parameter der Systeme zu jedem Zeitpunkt beliebig zu variieren. Dadurch sind die von uns erzeugten Systeme in besonderem Maße dazu geeignet, Nichtgleichgewichtseffekte zu untersuchen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung der Expansionsdynamik wechselwirkender Atome in homogenen Gittern. Wir beginnen unsere Experimente mit einem Anfangszustand im tiefen Gitter, der aus lokalisierten Atomen auf maximal einfach besetzten Gitterplätzen besteht. Durch gleichzeitiges schnelles Verringern der Gittertiefe und der externen Potenziale werden die Atome in ein homogenes Gitter entlassen und die Zeitentwicklung ihrer Dichteverteilung wird durch Absorptionsabbildungen festgehalten. Es zeigt sich, dass sowohl die Wechselwirkung zwischen den Atomen als auch die Dimensionalität der Gitter einen starken Einfluss auf die Dynamik haben. In allen integrablen Grenzfällen des Bose-Hubbard Modells verhalten sich die Atome ballistisch und expandieren mit hoher Geschwindigkeit, doch sobald sich das System außerhalb der integrablen Regime befindet verringert sich die Expansionsgeschwind-igkeit drastisch. Diese verringerte Geschwindigkeit geht einher mit der Ausbildung charakteristischer bimodaler Dichteverteilungen, die auf eine diffusive Dynamik schließen lassen. Für stark wechselwirkende Systeme können wir einen dimensionalitätsabhängigen Übergang zwischen ballistischer Dynamik im 1D hard-core-regime und diffusiver Dynamik im 2D Fall beobachten sowie eine starke Verringerung der Expansionsgeschwindigkeit, wenn der Anfangszustand des Systems mehrfach besetzte Gitterplätze enthält. Des Weiteren beobachten wir die Erzeugung solcher Mehrfachbesetzungen nach dem Entlassen der Atome, deren schnelle Entwicklung auf eine lokale Relaxationsdynamik hin zu quasistationären Werten deuten lässt. Als Letztes untersuchen wir die Entwicklung der Quasiimpulsverteilung stark wechselwirkender expandierender Atome, die laut theoretischer Vorhersagen eine vorübergehende Quasikondensation zeigen sollen, bei der sich scharfe lokale Maxima in der Quasiimpulsverteilung bei endlichen Quasiimpulsen bilden. Wir beobachten die Entstehung nicht-thermischer Quasiimpulsverteilungen die Maxima an den vor-hergesagten Positionen zeigen. Allerdings sind die von uns beobachteten Maxima wesentlich breiter als die vorhergesagten und wir diskutieren eine Reihe möglicher Erklärungen für diese Verbreiterung sowie Vorschläge zur Verbesserung zukünftiger Experimente.
Abstract Klassische Ratschen erzeugen aus einer ungerichteten Brownschen Molekularbewegung von Teilchen mit einem zeitlich modulierten sägezahnförmigen Potential einen gerichteten Transport. Sie können die Wirkungsweise biologischer Motoren erklären. Eine spannende Frage ist, ob eine solche Gleichrichtung der Bewegung auch im Quantenbereich und ohne Reibung möglich ist. Unserer Gruppe an der Universität Bonn ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Santiago de Chile gelungen, ein Bose‐Einstein‐Kondensat von Rubidiumatomen in einem sägezahnförmigen Lichtpotential zu bewegen. Dies demonstriert das Grundprinzip mikroskopischer Quantenmotoren.
Einstein hatte sich zunächst durch Bohrs Nachweis geschlagen geben müssen, daß ein kontinuierliches, mechanisches Bild der physikalischen Wirklichkeit aufgrund von Heisenbergs Unschärferela-tion unmöglich war. Nach diesem Prinzip ließen sich Lage und Impuls eines bewegten Objekts im Universum niemals zugleich präzis bestimmen. Dennoch gab Einstein nie endgültig auf. Während der Jahre nach Bohrs Formulierung des Komplementaritätsprinzips, das besagte, daß sich unsere Vorstellung vom Universum aus komplementären und widersprüchlichen Bildern der Wirklichkeit zusammensetzen muß, versuchte Einstein den Beweis dafür zu erbringen, daß die Sätze der Quantenmechanik in dieser Sache nicht das letzte Wort hatten.
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