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Two-dimensional description of Bose-Einstein condensates in elongated traps

Ingo Fuereder

Published Jan 1, 2011• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit beschaftigt sich mit der mathematischen Beschreibung eines Bose-Einstein Kondensats, das in einer lang gestreckten magneto-optischen Falle gefangen ist. Als zugrunde liegendes mathematisches Modell fungiert das Gross-Pitaevskii Energie Funktional. Anstatt wie bei herkommlichen dimensionalen Reduktionen der Gross-Pitaevskii Gleichung ublich, bei denen die Anregungsenergie in einer oder zwei Dimensionen viel groser als die Wechselwirkungsenergie ist, wird hier der Fall behandelt bei dem die Anregungsenergie in Querrichtung mit der Wechselwirkungsenergie vergleichbar ist. Diese Fragestellung wird durch einen neuartigen Ansatz fur die Wellenfunktion gelost, wodurch die Bestimmung der Grundzustandsenergie auf die folgenden zwei Probleme reduziert wird: 1) Losung eines zweidimensionalen Gross-Pitaevskii Problems mit Kopplungskonstante in einem beschrankten Intervall. 2) Losung eines eindimensionalen Gross-Pitaevskii Problems, wo die zweidimensionale Energie als Funktion der Kopplungskonstanten den Wechselwirkungsterm in dem eindimensionalen Energiefunktional bestimmt.

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Dynamik von Solitonen in der eindimensionalen Gross-Pitaevskii-Gleichung mit attraktiver Wechselwirkung

Tobias Ilg

Teilchen mit halbzahligem Spin werden als Fermionen bezeichnet. Nach dem Pauli-Verbot dürfen sich zwei Fermionen nicht im selben quantenmechanischen Zustand befinden. Diese Einschränkung gilt jedoch nicht für Teilchen mit ganzzahligem Spin, auch Bosonen genannt. Durch den Wegfall dieser Einschränkung tritt in bosonischen Gasen bei sehr tiefen Temperaturen ein Phasenübergang auf, der so in einem Fermi-Gas oder einem klassischen Gas nicht zu beobachten ist. Die Teilchen des Bose-Gases kondensieren unterhalb einer kritischen Temperatur in den Grundzustand, wodurch dieser makroskopisch besetzt wird. Die Teilchen im Kondensat sind vollständig delokalisiert und können durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden. Vorhergesagt wurde dieser neue Aggregatzustand von Albert Einstein im Jahre 1924 auf Grundlage der Arbeit von Satyendranath Bose und wird als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet. Der experimentelle Nachweis blieb über 70 Jahre aus und folgte im Jahr 1995. In der vorliegenden Arbeit werden Bose-Einstein-Kondensate untersucht, die sich entlang einer Richtung frei bewegen können. Zwischen den Teilchen besteht eine attraktive Kontaktwechselwirkung. In Mean-Field-Näherung, die Korrelationen zwischen den Teilchen vernachlässigt, können die Kondensate durch die nichtlineare Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben werden. Stationäre analytische Lösungen der eindimensionalen Gross-Pitaevskii-Gleichung sind bekannt und werden für den Fall attraktiver Wechselwirkung als helle Solitonen bezeichnet. Allgemein sind Solitonen Wellenpakete, die sich ohne Änderung ihrer Form fortbewegen. Sie treten als Lösung von nichtlinearen Wellengleichungen auf und somit auch als Lösung der Gross-Pitaevskii-Gleichung. Ziel der Arbeit ist es jedoch nicht nur stationäre Lösungen zu untersuchen, sondern auch auf die Dynamik von Solitonen sowie deren Stöße untereinander einzugehen. Dazu werden die hellen Solitonen durch Gaußfunktionen approximiert, für die nach dem Variationsprinzip nach McLachlan Bewegungsgleichungen aufgestellt werden. Es gilt zum einen zu untersuchen, inwieweit sich die stationären Solitonen als Superposition von Gaußfunktionen beschreiben lassen und zum anderen wie effektiv sich die Dynamik von Stößen zwischen Solitonen mit gekoppelten Gaußfunktionen behandeln lässt. Für die Veranschaulichung der Dynamik wurden für einige Abbildungen der Arbeit zusätzlich Animationen angefertigt.

•Jan 1, 2015•1 citation

Dynamik und Korrelationen eines Bose-Einstein-Kondensats aus Licht

Julian Schmitt

Einer der bemerkenswertesten Aspekte der Bose-Einstein-Kondensation ist die natürliche Ausprägung von Korrelationen und langreichweitiger Ordnung in einem System, welches sich im thermischen Gleichgewicht befindet. Insbesondere gilt dies auch für das ideale Bose-Gas, in welchem sich im kondensierten Bereich bei Messung der Phase - beispielsweise in einem Interferenzexperiment - Kohärenz ohne jegliche Wechselwirkung zwischen den Gasteilchen ausbreitet. Dies steht im Gegensatz zu den meisten anderen Phasenübergängen, die ihrerseits eine Wechselwirkung zwischen den Teilchen verlangen, wie z.B. beim Übergang zum Ferromagnetismus. Das Auftreten der makroskopischen Phase des Bose-Einstein-Kondensats lässt sich mit dem Begriff der spontanen Symmetriebrechung erklären, einem Phänomen, das seinerseits keine Wechselwirkung erfordert. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen der Dynamik und zeitlichen Intensitäts- und Phasenkorrelationen eines Bose-Einstein-kondensierten zweidimensionalen idealen Photonengases in einem optischen Farbstoff-Mikroresonator. Die Thermalisierung der Photonen erfolgt in gewissem Sinne ähnlich zur Schwarzkörperstrahlung: Absorptions- und Reemissionsprozesse stellen eine thermische Kopplung des Lichts an ein Wärmebad und Teilchenreservoir bestehend aus Farbstoffmolekülen bei Raumtemperatur her. Anders als beim Schwarzkörperstrahler ist die Dynamik der Photonen im Mikroresonator jedoch auf ihre transversalen Freiheitsgrade beschränkt, sodass die Photonenenergien im optischen Spektralbereich thermisch über die transversale Modenstruktur des Resonators verteilt werden. Die Energie-Impuls-Relation der Photonen zeigt zudem eine formale Analogie mit der Dispersionsrelation eines zweidimensionalen massiven Bose-Gases, das in einem harmonischen Fallenpotential eingesperrt ist. Im Farbstoff-Mikroresonator lassen sich Temperatur und chemisches Potential des zweidimensionalen Photonengases unabhängig voneinander einstellen. Oberhalb einer kritischen Photonenzahl kommt es zur Bose-Einstein-Kondensation mit einer makroskopischen Besetzung des Grundzustands. In einem ersten Schritt wurde die Thermalisierungsdynamik der Photonen an dem molekularen Wärmebad durch zeitaufgelöste Messungen der optischen Frequenzverteilung im Mikroresonator, sowie einer räumlichen Relaxierung der Photonen ins Fallenzentrum nachgewiesen. Ist der thermische Kontakt zu den Farbstoffmolekülen hinreichend stark, formiert sich das Photonengas innerhalb seiner Lebensdauer im Resonator zu einer thermischen Verteilung (Bose-Einstein-Verteilung). Oberhalb einer kritischen optischen Leistung kann auf diese Weise die Thermalisierung eines laserartigen, nicht-stationären Wellenpakets hin zu einem Bose-Einstein-Kondensat festgestellt werden. Zentrales Thema der vorliegenden Arbeit sind Messungen zur Physik der Teilchenzahlfluktuationen und der Phasenkohärenz eines Bose-Einstein-Kondensats aus Licht im großkanonischen statistischen Ensemble. Die Kopplung des Photonengases an das Reservoir aus Farbstoffmolekülen lässt neben dem Austausch von Energie auch effektiven Teilchenaustausch zu, was durch das großkanonische Ensemble beschrieben werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte die Kopplung an das Teilchenreservoir experimentell bestätigt werden und erstmals eine Bose-Einstein-Kondensation im großkanonischen statistischen Ensemble beobachtet werden. Weiterhin konnte die zeitliche Kohärenz der Kondensatphase verifiziert werden. Im großkanonischen Bereich offenbaren sich diskrete Phasensprünge in der Wellenfunktion, anhand derer die spontane Symmetriebrechung bei der Kondensation in situ verfolgt werden konnte. Die Evidenzen für Thermalisierung und Phasenkohärenz lassen den Schluss zu, dass es sich bei der Bose-Einstein-Kondensation von Licht um einen Gleichgewichtsphasenübergang eines idealen Bose-Gases handelt, bei welchem die Symmetrie des Systems spontan gebrochen wird.

•Feb 2, 2016•1 citation

Transport von Bose-Einstein Kondensaten in mesoskopischen Strukturen

Tobias Paul

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, kohärenten Transport von Bose-Einstein Kondensaten mit repulsiver Atom-Atom Wechselwirkung in mesoskopischen magnetischen Wellenleiterstrukturen auf dem Niveau der Gross-Pitaevskii Gleichung wellenmechanisch zu untersuchen. Wir geben zunächst einen Überblick über die grundlegenden Konzepte zur Erzeugung magnetischer Materiewellenleiter, zeigen Wege auf, Quantenpunktkontakte und Quantenpunkte in Wellenleitern zu realisieren und entwickeln ein phänomenologisches Modell für magnetisch induzierte Unordnungspotentiale. Ein zentrales Thema dieser Arbeit stellt die Entwicklung neuer Methoden zur Beschreibung von Transport eines Kondensats durch Wellenleitergeometrien dar. Wir zeigen ein Verfahren auf, das eine systematische Untersuchung von stationären Streuzuständen in Wellenleitern mit Streupotentialen ermöglicht. Zudem entwickeln wir eine konzeptionelle Erweiterung der aus der linearen Quantenmechanik wohlbekannten Größen von Reflexions- und Transmissionskoeffizienten; dies erlaubt es, Transmission und Reflexion auch für die nichtlineare Gross-Pitaevskii Gleichung eindeutig zu definieren. Um eine vollständige Beschreibung des Kondensattransportes zu erhalten, untersuchen wir zeitabhängige Streuprozesse und führen eine Methode ein, die die Ankopplung eines Wellenleiters an ein mit Kondensat gefülltes Reservoir simuliert, aus dem Materiewellen in den Wellenleiter injiziert werden.Damit wird die realistische Simulation eines kohärenten Flusses von Bose-Einstein Kondensaten durch einen Wellenleiter möglich. Wir untersuchen mit diesen Methoden den Transport eines Kondensats durch drei exemplarisch ausgewählte Potentialstrukturen: Wir zeigen zunächst, dass eine repulsive Atom-Atom Wechselwirkung zu einer Verminderung der Transmission durch einen Quantenpunktkontakt führt. In einem zweiten Schwerpunkt untersuchen wir Transport durch ein symmetrisches Doppelbarrierenpotential, das als Quantenpunkt angesehen werden kann. In diesem Zusammenhang diskutieren wir die Existenz von resonanten Transportmoden und Bistabilitäten im Transmissionsspektrum. Schließlich untersuchen wir den Transport durch Wellenleiter mit Unordnungspotentialen. Für schwache Unordnungspotentiale und moderate interatomare Wechselwirkungen entwickeln wir einen analytischen Zugang zur Berechnung von Transmissionskoeffizienten und identifizieren ein semiklassisches Regime, das eine nahezu perfekte Transmission durch die Unordnungsregion erlaubt. Im Regime von starker Unordnung und starken Atom-Atom Wechselwirkungen zeigen wir, dass in Unordnungspotentialen, die eine kritische Länge überschreiten, keine stationären Streuzustände mehr besetzt werden, sondern der Kondensatfluss eine stark zeitabhängige Dynamik aufweist.

•Jan 1, 2006•1 citation

Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats in einer stark anisotropen Magnetfalle

Jürgen Schoser

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats mit Rubidium-Atomen in einer stark anisotropen Fallengeometrie konzipiert und im Labor realisiert. Die Bose-Einstein-Kondensation von verdünnten atomaren Gasen wird durch verschiedene Einfang- und Kühlmethoden erreicht. Abweichend von bisherigen Experimenten wurden hier bei den einzelnen experimentellen Stufen zum Teil neue Wege begangen: Ausgehend von der Dampfphase bei Raumtemperatur wird ein intensiver Strahl kalter Atome mittels zweidimensionaler magnetooptischer Kühlung erzeugt. Dieser ermöglicht es, eine großvolumige magnetooptische Atomfalle mit einer hohen Atomzahl zu laden. Mit der hohen optischen Dichte geht zwar eine geringe Kühleffizienz einher, was jedoch durch einen speziellen Kühlschritt, eine verstimmte magnetooptische Fallen-Phase, behoben wird, um Temperaturen im Bereich der Polarisationsgradientenkühlung zu erreichen. Das so präparierte Atomensemble wird in einer Magnetfalle durch Verdampfungskühlung in ein Bose-Einstein-Kondensat überführt. Hierbei wirkt sich besonders die anisotrope Fallengeometrie auf die Effizienz des letzten Kühlschritts aus. Die hier realisierte Apparatur erlaubt es, in das quasi-eindimensionale Regime entarteter Quantengase mit einer gut detektierbaren Atomzahl vorzudringen. Ein analytisches Modell rundet die theoretische Beschreibung der zweidimensionalen magnetooptischen Kühlung ab. Darüberhinaus werden erste Experimente von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Gittern vorgestellt und der Einfluss von interatomarer Wechselwirkung aufgrund von s-Wellen-Streuung auf die Materiewellenbeugung an optischen Stehwellen diskutiert.

•Jan 1, 2003•3 citations

On the quantum Gross-Pitaevskii equation

Damian Draxler

Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung neuer variationeller Algorithmen zur Untersuchung von stark korrelierten eindimensionalen Quantenfeldtheorien. Zu diesem Zweck wird das Dirac-Frenkel zeitabhaengige Variationsprinzip auf die Klasse der kontinuierlichen Matrix Produkt Zustaende (cMPS) angewandt. Die Dissertation beinhaltet im wesentlichen drei Hauptresultate: einen Ansatz zur Beschreibung von Anregungszustaenden niedriger Energie, ein Algorithmus fuer die Zeitentwicklung von Systemen mit offenen Randbedingungen sowie ein weiterer fuer jene mit periodischen Randbedingungen. Darueber hinaus verallgemeinern wir die renommierte Theorie von Gross und Pitaevskii, omnipraesent in der theoretischen Beschreibung von ultrakalten Bose Gasen, auf den Fall von stark korrelierten, eindimensionalen Systemen wo Molekularfeldnaeherungen typischerweise nicht anwendbar sind. Diese Verallgemeinerung beinhaltet die Gross-Pitaevskii Gleichung im Molekularfeldlimes aber geht weit darueber hinaus indem Verschraenkung und Quantenkorrelationen mitberuecksichtigt werden. Die Linearisierung dieser sogenannten Quantum Gross-Pitaevskii Gleichungen fuehrt zu einer quantenmechanischen Version der Bogoliubov de-Gennes Gleichungen. Diese Methoden werden dann dazu verwendet die Anregungen und die dynamischen Korrelationsfunktionen des Lieb-Liniger Models und einer nicht integrablen Erweiterung desselben zu untersuchen, wobei im Spektrum des ersteren solitonische Anregungen und im Spektrum des letzteren ein nicht trivialer, gebundener Zustand identifiziert wurde. Des Weiteren wird ein wechselwirkendes Bose Gas studiert, welches in der Anwesenheit eines $U(1)$-Eichpotentials auf eine ringfoermige Geometrie beschraenkt ist. Hierbei liegt der Fokus auf der Berechnung der dissipationsfreien Teilchen Stroeme, wobei zusaetzlich eine lokale Barriere in das System eingefuehrt wurde. Darueber hinaus werden Grundzustandseigenschaften eines zwei-komponentigen Bose Gases studiert.

•Jan 1, 2016•0 citations

The 2D limit of 3D Gross-Pitaevskii theory for Bose-Einstein condensates

Hartmuth Hofstätter

Im Rahmen der Gross-Pitaevskii Theorie zeigen wir, dass dreidimensionale Bose-Einstein Kondensate, welche durch ein Potential in eine Raumrichtung stark eingeschlossen werden, durch eine effektiv zweidimensionale Theorie korrekt beschrieben werden. Wir beweisen eine analytische Formel für die Konvergenz der Energie und führen numerische Rechnungen durch, die diese Ergebnisse eindeutig widerspiegeln.

•Jan 1, 2008•0 citations
Die vorliegende Diplomarbeit beschaftigt sich mit der mathematischen Beschreibung eines Bose-Einstein Kondensats, das in einer lang gestreckten magneto-optischen Falle gefangen ist. Als zugrunde liegendes mathematisches Modell fungiert das Gross-Pitaevskii Energie Funktional. Anstatt wie bei herkommlichen dimensionalen Reduktionen der Gross-Pitaevskii Gleichung ublich, bei denen die Anregungsenergie in einer oder zwei Dimensionen viel groser als die Wechselwirkungsenergie ist, wird hier der Fall behandelt bei dem die Anregungsenergie in Querrichtung mit der Wechselwirkungsenergie vergleichbar ist. Diese Fragestellung wird durch einen neuartigen Ansatz fur die Wellenfunktion gelost, wodurch die Bestimmung der Grundzustandsenergie auf die folgenden zwei Probleme reduziert wird:
  1. Losung eines zweidimensionalen Gross-Pitaevskii Problems mit Kopplungskonstante in einem beschrankten Intervall. 2) Losung eines eindimensionalen Gross-Pitaevskii Problems, wo die zweidimensionale Energie als Funktion der Kopplungskonstanten den Wechselwirkungsterm in dem eindimensionalen Energiefunktional bestimmt.
Teilchen mit halbzahligem Spin werden als Fermionen bezeichnet. Nach dem Pauli-Verbot dürfen sich zwei Fermionen nicht im selben quantenmechanischen Zustand befinden. Diese Einschränkung gilt jedoch nicht für Teilchen mit ganzzahligem Spin, auch Bosonen genannt. Durch den Wegfall dieser Einschränkung tritt in bosonischen Gasen bei sehr tiefen Temperaturen ein Phasenübergang auf, der so in einem Fermi-Gas oder einem klassischen Gas nicht zu beobachten ist. Die Teilchen des Bose-Gases kondensieren unterhalb einer kritischen Temperatur in den Grundzustand, wodurch dieser makroskopisch besetzt wird. Die Teilchen im Kondensat sind vollständig delokalisiert und können durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden. Vorhergesagt wurde dieser neue Aggregatzustand von Albert Einstein im Jahre 1924 auf Grundlage der Arbeit von Satyendranath Bose und wird als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet. Der experimentelle Nachweis blieb über 70 Jahre aus und folgte im Jahr 1995. In der vorliegenden Arbeit werden Bose-Einstein-Kondensate untersucht, die sich entlang einer Richtung frei bewegen können. Zwischen den Teilchen besteht eine attraktive Kontaktwechselwirkung. In Mean-Field-Näherung, die Korrelationen zwischen den Teilchen vernachlässigt, können die Kondensate durch die nichtlineare Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben werden. Stationäre analytische Lösungen der eindimensionalen Gross-Pitaevskii-Gleichung sind bekannt und werden für den Fall attraktiver Wechselwirkung als helle Solitonen bezeichnet. Allgemein sind Solitonen Wellenpakete, die sich ohne Änderung ihrer Form fortbewegen. Sie treten als Lösung von nichtlinearen Wellengleichungen auf und somit auch als Lösung der Gross-Pitaevskii-Gleichung. Ziel der Arbeit ist es jedoch nicht nur stationäre Lösungen zu untersuchen, sondern auch auf die Dynamik von Solitonen sowie deren Stöße untereinander einzugehen. Dazu werden die hellen Solitonen durch Gaußfunktionen approximiert, für die nach dem Variationsprinzip nach McLachlan Bewegungsgleichungen aufgestellt werden. Es gilt zum einen zu untersuchen, inwieweit sich die stationären Solitonen als Superposition von Gaußfunktionen beschreiben lassen und zum anderen wie effektiv sich die Dynamik von Stößen zwischen Solitonen mit gekoppelten Gaußfunktionen behandeln lässt. Für die Veranschaulichung der Dynamik wurden für einige Abbildungen der Arbeit zusätzlich Animationen angefertigt.
Einer der bemerkenswertesten Aspekte der Bose-Einstein-Kondensation ist die natürliche Ausprägung von Korrelationen und langreichweitiger Ordnung in einem System, welches sich im thermischen Gleichgewicht befindet. Insbesondere gilt dies auch für das ideale Bose-Gas, in welchem sich im kondensierten Bereich bei Messung der Phase - beispielsweise in einem Interferenzexperiment - Kohärenz ohne jegliche Wechselwirkung zwischen den Gasteilchen ausbreitet. Dies steht im Gegensatz zu den meisten anderen Phasenübergängen, die ihrerseits eine Wechselwirkung zwischen den Teilchen verlangen, wie z.B. beim Übergang zum Ferromagnetismus. Das Auftreten der makroskopischen Phase des Bose-Einstein-Kondensats lässt sich mit dem Begriff der spontanen Symmetriebrechung erklären, einem Phänomen, das seinerseits keine Wechselwirkung erfordert. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen der Dynamik und zeitlichen Intensitäts- und Phasenkorrelationen eines Bose-Einstein-kondensierten zweidimensionalen idealen Photonengases in einem optischen Farbstoff-Mikroresonator. Die Thermalisierung der Photonen erfolgt in gewissem Sinne ähnlich zur Schwarzkörperstrahlung: Absorptions- und Reemissionsprozesse stellen eine thermische Kopplung des Lichts an ein Wärmebad und Teilchenreservoir bestehend aus Farbstoffmolekülen bei Raumtemperatur her. Anders als beim Schwarzkörperstrahler ist die Dynamik der Photonen im Mikroresonator jedoch auf ihre transversalen Freiheitsgrade beschränkt, sodass die Photonenenergien im optischen Spektralbereich thermisch über die transversale Modenstruktur des Resonators verteilt werden. Die Energie-Impuls-Relation der Photonen zeigt zudem eine formale Analogie mit der Dispersionsrelation eines zweidimensionalen massiven Bose-Gases, das in einem harmonischen Fallenpotential eingesperrt ist. Im Farbstoff-Mikroresonator lassen sich Temperatur und chemisches Potential des zweidimensionalen Photonengases unabhängig voneinander einstellen. Oberhalb einer kritischen Photonenzahl kommt es zur Bose-Einstein-Kondensation mit einer makroskopischen Besetzung des Grundzustands. In einem ersten Schritt wurde die Thermalisierungsdynamik der Photonen an dem molekularen Wärmebad durch zeitaufgelöste Messungen der optischen Frequenzverteilung im Mikroresonator, sowie einer räumlichen Relaxierung der Photonen ins Fallenzentrum nachgewiesen. Ist der thermische Kontakt zu den Farbstoffmolekülen hinreichend stark, formiert sich das Photonengas innerhalb seiner Lebensdauer im Resonator zu einer thermischen Verteilung (Bose-Einstein-Verteilung). Oberhalb einer kritischen optischen Leistung kann auf diese Weise die Thermalisierung eines laserartigen, nicht-stationären Wellenpakets hin zu einem Bose-Einstein-Kondensat festgestellt werden. Zentrales Thema der vorliegenden Arbeit sind Messungen zur Physik der Teilchenzahlfluktuationen und der Phasenkohärenz eines Bose-Einstein-Kondensats aus Licht im großkanonischen statistischen Ensemble. Die Kopplung des Photonengases an das Reservoir aus Farbstoffmolekülen lässt neben dem Austausch von Energie auch effektiven Teilchenaustausch zu, was durch das großkanonische Ensemble beschrieben werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte die Kopplung an das Teilchenreservoir experimentell bestätigt werden und erstmals eine Bose-Einstein-Kondensation im großkanonischen statistischen Ensemble beobachtet werden. Weiterhin konnte die zeitliche Kohärenz der Kondensatphase verifiziert werden. Im großkanonischen Bereich offenbaren sich diskrete Phasensprünge in der Wellenfunktion, anhand derer die spontane Symmetriebrechung bei der Kondensation in situ verfolgt werden konnte. Die Evidenzen für Thermalisierung und Phasenkohärenz lassen den Schluss zu, dass es sich bei der Bose-Einstein-Kondensation von Licht um einen Gleichgewichtsphasenübergang eines idealen Bose-Gases handelt, bei welchem die Symmetrie des Systems spontan gebrochen wird.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, kohärenten Transport von Bose-Einstein Kondensaten mit repulsiver Atom-Atom Wechselwirkung in mesoskopischen magnetischen Wellenleiterstrukturen auf dem Niveau der Gross-Pitaevskii Gleichung wellenmechanisch zu untersuchen. Wir geben zunächst einen Überblick über die grundlegenden Konzepte zur Erzeugung magnetischer Materiewellenleiter, zeigen Wege auf, Quantenpunktkontakte und Quantenpunkte in Wellenleitern zu realisieren und entwickeln ein phänomenologisches Modell für magnetisch induzierte Unordnungspotentiale. Ein zentrales Thema dieser Arbeit stellt die Entwicklung neuer Methoden zur Beschreibung von Transport eines Kondensats durch Wellenleitergeometrien dar. Wir zeigen ein Verfahren auf, das eine systematische Untersuchung von stationären Streuzuständen in Wellenleitern mit Streupotentialen ermöglicht. Zudem entwickeln wir eine konzeptionelle Erweiterung der aus der linearen Quantenmechanik wohlbekannten Größen von Reflexions- und Transmissionskoeffizienten; dies erlaubt es, Transmission und Reflexion auch für die nichtlineare Gross-Pitaevskii Gleichung eindeutig zu definieren. Um eine vollständige Beschreibung des Kondensattransportes zu erhalten, untersuchen wir zeitabhängige Streuprozesse und führen eine Methode ein, die die Ankopplung eines Wellenleiters an ein mit Kondensat gefülltes Reservoir simuliert, aus dem Materiewellen in den Wellenleiter injiziert werden.Damit wird die realistische Simulation eines kohärenten Flusses von Bose-Einstein Kondensaten durch einen Wellenleiter möglich. Wir untersuchen mit diesen Methoden den Transport eines Kondensats durch drei exemplarisch ausgewählte Potentialstrukturen: Wir zeigen zunächst, dass eine repulsive Atom-Atom Wechselwirkung zu einer Verminderung der Transmission durch einen Quantenpunktkontakt führt. In einem zweiten Schwerpunkt untersuchen wir Transport durch ein symmetrisches Doppelbarrierenpotential, das als Quantenpunkt angesehen werden kann. In diesem Zusammenhang diskutieren wir die Existenz von resonanten Transportmoden und Bistabilitäten im Transmissionsspektrum. Schließlich untersuchen wir den Transport durch Wellenleiter mit Unordnungspotentialen. Für schwache Unordnungspotentiale und moderate interatomare Wechselwirkungen entwickeln wir einen analytischen Zugang zur Berechnung von Transmissionskoeffizienten und identifizieren ein semiklassisches Regime, das eine nahezu perfekte Transmission durch die Unordnungsregion erlaubt. Im Regime von starker Unordnung und starken Atom-Atom Wechselwirkungen zeigen wir, dass in Unordnungspotentialen, die eine kritische Länge überschreiten, keine stationären Streuzustände mehr besetzt werden, sondern der Kondensatfluss eine stark zeitabhängige Dynamik aufweist.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats mit Rubidium-Atomen in einer stark anisotropen Fallengeometrie konzipiert und im Labor realisiert. Die Bose-Einstein-Kondensation von verdünnten atomaren Gasen wird durch verschiedene Einfang- und Kühlmethoden erreicht. Abweichend von bisherigen Experimenten wurden hier bei den einzelnen experimentellen Stufen zum Teil neue Wege begangen: Ausgehend von der Dampfphase bei Raumtemperatur wird ein intensiver Strahl kalter Atome mittels zweidimensionaler magnetooptischer Kühlung erzeugt. Dieser ermöglicht es, eine großvolumige magnetooptische Atomfalle mit einer hohen Atomzahl zu laden. Mit der hohen optischen Dichte geht zwar eine geringe Kühleffizienz einher, was jedoch durch einen speziellen Kühlschritt, eine verstimmte magnetooptische Fallen-Phase, behoben wird, um Temperaturen im Bereich der Polarisationsgradientenkühlung zu erreichen. Das so präparierte Atomensemble wird in einer Magnetfalle durch Verdampfungskühlung in ein Bose-Einstein-Kondensat überführt. Hierbei wirkt sich besonders die anisotrope Fallengeometrie auf die Effizienz des letzten Kühlschritts aus. Die hier realisierte Apparatur erlaubt es, in das quasi-eindimensionale Regime entarteter Quantengase mit einer gut detektierbaren Atomzahl vorzudringen. Ein analytisches Modell rundet die theoretische Beschreibung der zweidimensionalen magnetooptischen Kühlung ab. Darüberhinaus werden erste Experimente von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Gittern vorgestellt und der Einfluss von interatomarer Wechselwirkung aufgrund von s-Wellen-Streuung auf die Materiewellenbeugung an optischen Stehwellen diskutiert.
Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung neuer variationeller Algorithmen zur Untersuchung von stark korrelierten eindimensionalen Quantenfeldtheorien. Zu diesem Zweck wird das Dirac-Frenkel zeitabhaengige Variationsprinzip auf die Klasse der kontinuierlichen Matrix Produkt Zustaende (cMPS) angewandt. Die Dissertation beinhaltet im wesentlichen drei Hauptresultate: einen Ansatz zur Beschreibung von Anregungszustaenden niedriger Energie, ein Algorithmus fuer die Zeitentwicklung von Systemen mit offenen Randbedingungen sowie ein weiterer fuer jene mit periodischen Randbedingungen. Darueber hinaus verallgemeinern wir die renommierte Theorie von Gross und Pitaevskii, omnipraesent in der theoretischen Beschreibung von ultrakalten Bose Gasen, auf den Fall von stark korrelierten, eindimensionalen Systemen wo Molekularfeldnaeherungen typischerweise nicht anwendbar sind. Diese Verallgemeinerung beinhaltet die Gross-Pitaevskii Gleichung im Molekularfeldlimes aber geht weit darueber hinaus indem Verschraenkung und Quantenkorrelationen mitberuecksichtigt werden. Die Linearisierung dieser sogenannten Quantum Gross-Pitaevskii Gleichungen fuehrt zu einer quantenmechanischen Version der Bogoliubov de-Gennes Gleichungen. Diese Methoden werden dann dazu verwendet die Anregungen und die dynamischen Korrelationsfunktionen des Lieb-Liniger Models und einer nicht integrablen Erweiterung desselben zu untersuchen, wobei im Spektrum des ersteren solitonische Anregungen und im Spektrum des letzteren ein nicht trivialer, gebundener Zustand identifiziert wurde. Des Weiteren wird ein wechselwirkendes Bose Gas studiert, welches in der Anwesenheit eines U(1)U(1)U(1)-Eichpotentials auf eine ringfoermige Geometrie beschraenkt ist. Hierbei liegt der Fokus auf der Berechnung der dissipationsfreien Teilchen Stroeme, wobei zusaetzlich eine lokale Barriere in das System eingefuehrt wurde. Darueber hinaus werden Grundzustandseigenschaften eines zwei-komponentigen Bose Gases studiert.