Diese Dissertation berichtet über ein neuartiges Quantengasmikroskop, mit dem Vielteilchensysteme von fermionischen Atomen in optischen Gittern untersucht werden. Die einzelplatzaufgelöste Abbildung ultrakalter Gase im Gitter hat mächtige Experimente an bosonischen Vielteilchensystemen ermöglicht. Die Erweiterung dieser Fähigkeit auf Fermigase bietet neue Aussichten, komplexe Phänomene stark korrelierter Systeme zu erforschen, für die numerische Simulationen oft nicht möglich sind. Mit Standardtechniken der Laserkühlung, optischen Fallen und Verdampfungskühlung werden ultrakalte Fermigase von 6Li präpariert und in ein 2D optisches Gitter mit flexibler Geometrie geladen. Die Atomverteilung wird mithilfe eines zweiten, kurzskaligen Gitters eingefroren. Durch Raman-Seitenbandkühlung wird an jedem Atom Fluoreszenz induziert, während seine Position festgehalten wird. Zusammen mit hochauflösender Abbildung erlaubt die Fluoreszenz die Rekonstruktion der ursprünglichen Verteilung mit Einzelplatzauflösung und hoher Genauigkeit. Mithilfe von magnetisch angetriebener Verdampfungskühlung produzieren wir entartete Fermigase mit fast einheitlicher Füllung im ersten Gitter. Dies ermöglicht die ersten mikroskopischen Untersuchungen an einem ultrakalten Gas mit klaren Anzeichen von Fermi-Statistik. Durch die Präparation eines Ensembles spinpolarisierter Fermigase detektieren wir eine Abflachung im Dichteprofil im Zentrum der Wolke, ein Charakteristikum bandisolierender Zustände. In einem Satz von Experimenten weisen wir nach, dass Verluste von Atompaaren an einem Gitterplatz, bedingt durch lichtinduzierte Stöße, umgangen werden. Die Überabtastung des zweiten Gitters erlaubt eine deterministische Trennung der Atompaare in unterschiedliche Gitterplätze. Die Kompression einer dichten Wolke in der Falle vor dem Laden ins Gitter führt zu vielen Doppelbesetzungen von Atomen in unterschiedlichen Bändern, die wir ohne Anzeichen von paarweisen Verlusten abbilden können. Somit erhalten wir die wahre Besetzungsstatistik an jedem Gitterplatz. Mithilfe dieser Besonderheit werten wir die lokale Besetzungsstatistik an einem Ensemble bandisolierenderWolken aus. Im Zentrum bei hoher Füllung sind die Atomzahlfluktuationen um eine Größenordnung unterdrückt, verglichen mit klassischen Gasen, eine Manifestation des Pauliverbots. Die Besetzungswahrscheinlichkeiten werden verwendet, um die lokale Entropie an jedem Gitterplatz zu messen. Eine niedrige Entropie pro Atom bis 0.34kB wird im Zentrum des Bandisolators gefunden. Die Erweiterung der Quantengasmikroskopie auf entartete Fermigase eröffnet neue Möglichkeiten der Quantensimulation stark korrelierter Vielteilchensysteme und kann einzigartige Erkenntnisse über fermionische Systeme im und außerhalb vom Gleichgewicht, Quantenmagnetismus und verschiedene Phasen des Fermi-Hubbard-Modells ergeben.
Diese Dissertation berichtet über ein neuartiges Quantengasmikroskop, mit dem Vielteilchensysteme von fermionischen Atomen in optischen Gittern untersucht werden. Die einzelplatzaufgelöste Abbildung ultrakalter Gase im Gitter hat mächtige Experimente an bosonischen Vielteilchensystemen ermöglicht. Die Erweiterung dieser Fähigkeit auf Fermigase bietet neue Aussichten, komplexe Phänomene stark korrelierter Systeme zu erforschen, für die numerische Simulationen oft nicht möglich sind. Mit Standardtechniken der Laserkühlung, optischen Fallen und Verdampfungskühlung werden ultrakalte Fermigase von 6Li präpariert und in ein 2D optisches Gitter mit flexibler Geometrie geladen. Die Atomverteilung wird mithilfe eines zweiten, kurzskaligen Gitters eingefroren. Durch Raman-Seitenbandkühlung wird an jedem Atom Fluoreszenz induziert, während seine Position festgehalten wird. Zusammen mit hochauflösender Abbildung erlaubt die Fluoreszenz die Rekonstruktion der ursprünglichen Verteilung mit Einzelplatzauflösung und hoher Genauigkeit. Mithilfe von magnetisch angetriebener Verdampfungskühlung produzieren wir entartete Fermigase mit fast einheitlicher Füllung im ersten Gitter. Dies ermöglicht die ersten mikroskopischen Untersuchungen an einem ultrakalten Gas mit klaren Anzeichen von Fermi-Statistik. Durch die Präparation eines Ensembles spinpolarisierter Fermigase detektieren wir eine Abflachung im Dichteprofil im Zentrum der Wolke, ein Charakteristikum bandisolierender Zustände. In einem Satz von Experimenten weisen wir nach, dass Verluste von Atompaaren an einem Gitterplatz, bedingt durch lichtinduzierte Stöße, umgangen werden. Die Überabtastung des zweiten Gitters erlaubt eine deterministische Trennung der Atompaare in unterschiedliche Gitterplätze. Die Kompression einer dichten Wolke in der Falle vor dem Laden ins Gitter führt zu vielen Doppelbesetzungen von Atomen in unterschiedlichen Bändern, die wir ohne Anzeichen von paarweisen Verlusten abbilden können. Somit erhalten wir die wahre Besetzungsstatistik an jedem Gitterplatz. Mithilfe dieser Besonderheit werten wir die lokale Besetzungsstatistik an einem Ensemble bandisolierenderWolken aus. Im Zentrum bei hoher Füllung sind die Atomzahlfluktuationen um eine Größenordnung unterdrückt, verglichen mit klassischen Gasen, eine Manifestation des Pauliverbots. Die Besetzungswahrscheinlichkeiten werden verwendet, um die lokale Entropie an jedem Gitterplatz zu messen. Eine niedrige Entropie pro Atom bis 0.34kB wird im Zentrum des Bandisolators gefunden. Die Erweiterung der Quantengasmikroskopie auf entartete Fermigase eröffnet neue Möglichkeiten der Quantensimulation stark korrelierter Vielteilchensysteme und kann einzigartige Erkenntnisse über fermionische Systeme im und außerhalb vom Gleichgewicht, Quantenmagnetismus und verschiedene Phasen des Fermi-Hubbard-Modells ergeben.
Mit ultrakalte Gasen in optischen Gittern lassen sich stark wechselwirkende Quantenvielteilchensysteme auf der Ebene einzelner Spins untersuchen. Diese Doktorarbeit fasst den Aufbau und die ersten Ergebnisse eines Quantengasmikroskops mit fermionischen Li-6 Atomen zusammen. Wir konnten erstmals antiferromagnetische Spinkorrelationen in Hubbard-Systemen beobachten und in eindimensionalen Systeme die Trennung von Ladungs- und Spinfreiheitsgraden mit Korrelationen nachweisen, die im thermischen Gleichgewicht gemessen wurden. Die Grundlage für diese Experimente ist das Quantengasmikroskop, welches während der Doktorarbeit geplant und aufgebaut wurde. Die Bilder, die man damit nehmen kann, sind Momentaufnahmen eines Quantenvielteilchensystems, auf denen man alle Atome einzeln auf ihren jeweiligen Gitterplätzen erkennen kann. Wir produzieren ein ultrakaltes Quantengas mit Standardverfahren wie Laserkühlung, optischen Fallen und Verdunstungskühlung und laden es in eine einzelne Ebene eines dreidimensionalen optischen Gitters. Vor dem Abbilden wird jedes Atom entsprechend seines Spin mit einem Stern-Gerlach-Magnetfeld um einen halben Gitterplatz nach links oder rechts verschoben. Zur Abbildung der Atome messen wir die Fluoreszenz eines Raman-Seitenbandkühlprozesses, welcher in einem zusätzlichen sehr tiefen optischen Gitter abläuft, und können so 97% der Atome erfolgreich detektieren. Ein Kapitel dieser Arbeit widmet sich den Details dieses Prozesses und kann die verbliebenen Verluste durch eine Nichtgleichgewichtsverteilung der lokalen Anregungen erklären. Die Messung der Dichteverteilung der stark wechelwirkenden Atome im inhomogenen Gitter erlaubt es die Zustandsgleichung des Fermi-Hubbard-Models zu bestimmen. Dabei beobachten wir die starke Unterdrückung der Kompressibilität in der Mott-Isolator-Phase. Mit unseren hochaufgelösten Bildern können wir auch die Dichtekorrelationen des Systems messen und so das Fluktuations-Dissipations-Theorem bestätigen, welches die Kompressibilität in Beziehung zu der Summe aller Dichtefluktuationen setzt. Für eine Entropie pro Teilchen von weniger als log(2) kB zeigt der Mott-Isolator antiferromagnetische Spinkorrelationen aufgrund der Austauschwechselwirkung. In eindimensionalen Spinketten konnten wir diese magnetische Ordnung bis zu einer Distanz von vier Gitterplätzen direkt messen. Die Stärke der beobachteten Korrelationen stimmt sehr gut überein mit Quanten-Monte-Carlo-Rechnungen bei einer Temperatur von einem Achtel der Bandbreite, welches einer Entropie von 0.4 kB pro Atom entspricht. Für Spinketten mit weniger als einem Atom pro Gitterplatz sehen wir eine charakteristische Verschiebung der Spinkorrelationen zu größeren Wellenlängen, die der einer Luttinger Flüssigkeit entspricht. Besonders interessante physikalische Phänomene treten auf, wenn man den Spinfreiheitsgrad mit der Bewegung der Atome koppelt. In eindimensionalen Systemen tritt hier die Spin-Ladungs-Trennung auf, die einem Loch eine freie Bewegung durch eine Spinkette ermöglicht. Allerdings scheint diese Delokalisierung zu einer Reduktionen der magnetischen Ordnung zu führen, da die Position der Teilchen nun fluktuiert. Normale Zweipunktkorrelatoren messen so kleinere Werte. Allerdings konnten wir zeigen, dass die Spins um einzelne Löcher herum primär antiparallel ausgerichtet sind und so nachweisen, dass die Spinordnung fast unabhängig vom Grad der Dotierung ist, wenn man die Lochposition mitberücksichtigt. Diese Messungen lassen sich als erster direkten Nachweis von Spin-Ladungs-Trennung durch Gleichgewichtskorrelationen interpretieren. Diese Arbeit umfasst die ersten Messungen von Spin-Loch-Korrelationen mit ultrakalten Atomen und sie stellt damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu Quantensimulationen dotierter Antiferromagneten dar, die einen Beitrag zum Verständnis von Hochtemperatursupraleitern leisten könnten.
In den letzten Jahren haben sich atomare Quantengase in optischen Gittern zu einem faszinierenden und interdisziplinär bedeutsamen Forschungsfeld entwickelt. Die in den periodischen Potentialen gefangenen ultrakalten Atome stellen ein ideales Modellsystem dar, anhand dessen sich grundlegende Fragestellungen der modernen Festkörper- und Vielteilchenphysik untersuchen lassen. In der vorliegenden Arbeit werden neue Methoden zur Manipulation und Analyse von Quantenzuständen in optischen Gittern demonstriert. Insbesondere wird mittels der sogenannten Rauschkorrelationsanalyse die Ordnung der Atome im Gitter bestimmt und erstmals fermionisches Antibunching an freien neutralen Atomen nachgewiesen. Grundlage für die vorgestellten Experimente ist eine im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Apparatur, mit der sich simultan entartete bosonische und fermionische Quantengase aus 87-Rubidium und 40-Kalium präparieren und in einem dreidimensionalen optischen Gitter untersuchen lassen. Die Apparatur zeichnet sich durch eine Serie technischer Innovationen aus: Eine neuartige Spulen- und Fallenkonfiguration eröffnet einen hervorragenden optischen Zugang zu den präparierten Ensemblen und ermöglicht es, starke homogene Magnetfelder bei einer geringen dissipierten Leistung zu erzeugen. Dies sind wichtige Voraussetzungen, um definierte Gitterpotentiale verwirklichen und die interatomaren Wechselwirkungen mittels Feshbach-Resonanzen beeinflussen zu können. Das optische Potential geht aus der Überlagerung einer gekreuzten Dipolfalle und eines blauverstimmten dreidimensionalen Gitters hervor. Eine solche Kombination erlaubt es, sehr tiefe und relativ homogene Gitterpotentiale zu erzeugen sowie den externen Einschluss unabhängig von der Gittertiefe zu variieren. Des Weiteren lassen sich über eine frei einstellbare Wellenlänge speziesabhängige Gitter realisieren. Die Vereinigung der hier aufgeführten Technologien liefert uns eine außergewöhnlich flexible Plattform für das Studium maßgeschneiderter Quantenzustände in periodischen Potentialen. Durch den unabhängigen externen Einschluss kann erstmals ein Fermigas allein über dessen Kompression zwischen einem metallischen und einem isolierenden Zustand hin- und hergeschaltet und – in ersten Ansätzen – die entsprechende Dynamik beobachtet werden. Die Ergebnisse werden mit numerischen Simulationen verglichen. Neben der Durchführung von Transportmessungen lässt sich hieraus ein neues Diagnoseverfahren ableiten, das es ermöglicht, Quantenphasen, wie den bosonischen oder fermionischen Mott-Isolator, anhand der charakteristischen Kompressibilität zu identifizieren. Als weiteres Diagnoseverfahren wird die Korrelationsanalyse von Flugzeitaufnahmen vorgestellt. Durch die Auswertung von Hanbury Brown und Twiss (HBT)-Korrelationen im Quantenrauschen der expandierenden Atomwolken lässt sich die mikroskopische Ordnung der Atome im Gitter nachweisen. Ausgangspunkt für die Messungen sind jeweils vollständig spinpolarisierte bosonische Mott-Isolatoren und fermionische Bandisolatoren. Trotz identischer Dichteverteilungen innerhalb des Gitters, weisen die Korrelationen von Bosonen und Fermionen entgegengesetzte Vorzeichen auf. Mit diesen Messungen gelingt es erstmals, fermionisches Antibunching an freien neutralen Atomen zu beobachten und innerhalb einer selben Apparatur mit dem bosonischen Bunching zu vergleichen. Neben dem Nachweis dieses fundamentalen Quanteneffektes lässt sich die Ordnung und die Temperatur der Fermionen im Gitter bis hinauf zur Fermi-Temperatur bestimmen. Damit erweist sich die Korrelationsanalyse als ein robustes Verfahren, mit dem sich in Zukunft noch weitaus komplexere Quantenphasen in optischen Gittern untersuchen lassen.
Das Forschungsprojekt, in dessen
Rahmen die Promotionsarbeit durchgefuhrt wurde, ist auf dem
Themengebiet der ultrakalten atomaren Gase angesiedelt. Die
speziellen Ziele in diesem Projekt sind Untersuchungen zur
Mischbarkeit und Superfluiditat an gemischten Quantengasen aus
paramagnetischen Rubidium(Rb)- und diamagnetischen
Ytterbium(Yb)-Atomen, und insbesondere die kontrollierte
(koharente) Erzeugung ultrakalter heteronuklearer Molekule, sowie
die Erzeugung eines fermionischen Yb-Quantengases. Weiterfuhrende
Untersuchungen zu dipolaren Quantengasen und Prazisionsmessungen
erganzen die Vielfalt der
moglichen Experimente an diesem System.
Ein wichtiger Bestandteil meiner Promotionsarbeit war die
Konzeption und der Aufbau einer neuartigen Apparatur, die es
ermoglicht Gemische aus Quantengasen zu erzeugen. Die Tauglichkeit
der Apparatur konnte mit der Erzeugung eines
Rb-Bose-Einstein-Kondensates(BEC) und der Herstellung ultrakalter
Yb-Ensembles demonstriert werden. Als weiterer Schwerpunkt wurden
speziell die Eigenschaften des Yb beim Kuhlen und Fangen
untersucht, um Erkenntnisse fur die weitere Vorgehensweise bei der
Erzeugung eines gemischten Quantengases festzulegen. Hierbei
wurden erstmals Sub-Doppler-Temperaturen in einer
magneto-optischen Falle(MOT) mit fermionischem Yb beobachtet,
sowie erstmals die Lebensdauer eines metastabilen
Zustands gemessen.
Die wesentlichsten Bestandteile der Apparatur sind eine speziell
konstruierte Vakuumkammer, eine Reihe von Lasersystemen, komplexe
optische Aufbauten, sowie ein komplexes System aus
Elektromagneten. Damit ist es moglich, zwei Atomsorten unabhangig
voneinander zu fangen und zu kuhlen. Hierzu wurden MOTs sowie eine
Magnetfalle(MT) und eine bichromatische optische Dipolfalle(ODT)
konzipiert, und bis auf die ODT auch im Experiment eingesetzt,
womit die unabhangige
Kontrolle und Manipulierbarkeit beider Spezies moglich ist.
Die Rb-Atome wurden aus einer MOT mit >10^9 Atomen im
F=2,m_F=2-Zustand mit einer Temperatur von einigen
100 mu K in die MT geladen, wo durch
radiofrequenzinduzierte Verdampfungskuhlung bis zu Temperaturen
von einigen 100 nK ein BEC mit bis zu 6 * 10^6
Atomen erzeugt wurde. Aus Lebensdauermessungen des magnetisch
gespeicherten BECs konnte der Koeffizient fur Dreikorperverluste
zu 1,3 * 10^{-29} cm^6/s bestimmt werden, was
mit theoretischen Vorhersagen und anderen experimentellen Befunden
ubereinstimmt. Da keine technischen Limitationen der Lebensdauer
beobachtet wurden, erfullt die im Rahmen dieser Doktorarbeit
konzipierte und erstellte Apparatur hinsichtlich der Erzeugung
eines Rb-BECs alle
erforderlichen Voraussetzungen.
Im zweiten Abschnitt meiner Promotion wurden speziell die
Eigenschaften von Yb untersucht. Es wurden alle sieben stabilen
Yb-Isotope mit Atomzahlen von bis zu 2 * 10^7 in eine MOT
auf dem 1S_0 -> 1P_1-Ubergang geladen. Hierbei wurden
erstmals bei fermionischen Yb-Isotopen durch
Polarisationsgradientenkuhlung in einer MOT
Temperaturen weit unter dem Dopplerlimit von 672 mu K
erreicht und die Abhangigkeit von experimentellen Parametern
untersucht. Die minimal erreichten Temperaturen lagen bei
10 mu K und 80 mu K fur {173}Yb bzw.
{171}Yb. Dieses fur den weiteren Fortgang des Experiments sehr
wichtige Ergebnis ermoglicht fur die fermionischen Yb-Isotope im
Gegensatz zu den Bosonen, bei denen keine Sub-Dopplerkuhlung
moglich ist, ein vereinfachtes
Kuhlverfahren.
Um die Moglichkeiten und Limitationen des simultanen Einschlusses
beider Spezies in dieser Apparatur zu untersuchen, wurde eine
gemischte MOT aus Rb- und Yb-Atomen erzeugt. Die hierbei
beobachteten verminderten Atomzahlen im Vergleich zu den einzelnen
MOTs fuhren dazu, dass fur die Erzeugung eines gemischten
Quantengases ein alternatives Ladeschema erforderlich ist, das
nicht auf einer gemischten MOT basiert. Ein solches Ladeschema
wurde aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit konzipiert und
soll im weiteren Verlauf des Projekts
umgesetzt werden.
Ein moglicher Weg zu einem gemischten Quantengas fuhrt uber das
zwischenzeitliche magnetische Speichern von Yb im metastabilen
^3P_2-Zustand, der im Gegensatz zum nicht magnetisch fangbaren
diamagnetischen Grundzustand des Yb ein magnetisches Moment von
mu = 3 \mu_B besitzt und damit in einer MT gespeichert werden
kann. Uber einen naturlichen Zerfallskanal fallen die Yb-Atome aus
dem MOT-Zyklus in den metastabilen ^3P_2-Zustand wodurch eine
durch das MOT-Magnetfeld gebildete MT kontinuierlich geladen wird.
Hierbei war es moglich bis zu 4 * 10^5 Atome zu fangen.
Untersuchungen der Magnetfalle ergaben fur das bosonische
^{174}Yb Lebensdauern von bis zu 13,7 s und fur das
fermionische ^{173}Yb Lebensdauern von bis zu 11 s,
die in beiden Fallen atomzahlabhangig waren. Die langsten
Lebensdauern sind dabei in guter Ubereinstimmung mit der bisher
nur theoretisch berechneten naturlichen Lebensdauer von
14,5 s fur ^{174}Yb. Die beobachtete Abhangigkeit von
der Atomzahl bei ^{174}Yb konnte auf dichteabhangige Verluste
zuruckgefuhrt werden, wobei die Verlustrate zu (1,4 +/-
1,0) * 10^{-10}cm^3/s bestimmt wurde. Aufgrund der
komplizierten Niveaustruktur von ^{173}Yb war eine Bestimmung
hier nicht moglich. Die Bestimmung dieser Verlustkonstanten war
essentiell fur den weiteren Fortgang des Experiments, da sie eine
direkte Herbeifuhrung der Quantenentartung im metastabilen Zustand
ausschliest, aber weiterhin die Moglichkeit zur zwischenzeitlichen
Speicherung in diesem Zustand offen last. Die gemessenen
Lebensdauern geben erstmalig experimentell ermittelte Grenzwerte
fur die
Lebensdauer des metastabilen Triplettzustands von Yb an.
Quantensimulatoren können die Grenzen von analytischen und numerischen Methoden überwinden und detaillierte Informationen über stark korrelierte Vielteilchensysteme liefern. Für die experimentelle Erforschung komplexer Problemstellungen bieten Quantengase vielfältige Möglichkeiten und profitieren von der herausragenden Isolation von externen Störungen. Diese Promotionsarbeit befasst sich mit dem experimentellen Studium von Quantensystemen, die kontrolliert aus dem Gleichgewicht gebracht werden. Mit Einzelplatz aufgelöster Abbildung von bosonischen Rubidium Atomen in optischen Gittern wird die zeitliche Entwicklung festgehalten. Quantenmagnetismus ist der erste behandelte Schwerpunkt in dieser Arbeit. Zuerst zeigen wir, dass im Regime von starker Wechselwirkung,in welchem sich ein Mott Isolator bildet, ein zwei komponentiges Gas exzellent das Heisenberg Model simuliert. Hierzu vermessen wir die kohärente Ausbreitung eines Magnons mit der spinselektiven Abbildung nach einer lokalen Anregung eines einzelnen Spins. Spinprojektionen auf die z-Achse und den Äquator der Bloch-Kugel belegen die Entstehung und Propagation von verschränkten Zuständen. Detaillierte Informationen werden in diesem Experiment durch eine neu entwickelte Abbildung gewonnen, welche an Stern-Gerlach Messungen angelehnt ist. Bei der Anregung zweier benachbarter Spins wird des Weiteren die Entstehung gebundener Zustände beobachtet und deren Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie Zerfallszeit charakterisiert. In weiterführenden Messungen erzeugen wir hochangeregte Spiralzustände, die in einen homogenen Gleichgewichtszustand zerfallen und keine kohärente Zeitentwicklung aufweisen. Die Geschwindigkeit der beobachteten Zerfälle ist abhängig von der Windungsstärke und weist in eindimensionalen Systemen auf ein diffusives Verhalten hin. Im Gegensatz dazu deuten die Ergebnisse in zweidimensionalen Systemen auf ein sub-diffusive Propagation hin. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit behandelt die Thermalisierung von hoch angeregten Systemen. Wir ermitteln wie stark eine zusätzlich eingestrahlte computergenerierte zufällige Potentiallandschaft sein muss, um zu einer Lokalisierung der Atome zu führen. Von diesen entstehenden lokalisierten Vielteilchenzustände wird die Zerfallslänge der Dichteverteilung bestimmt, welche am Phasenübergang eine Divergenz zeigt. Die in dieser Arbeit beschriebenen Experimente demonstrieren unterschiedliche Realisierungen von Quantensimulationen. Viele weitere Effekte im Bereich der Quantenmechanik können mit der hier dargelegten Technik untersucht werden. Weitere Messungen profitieren insbesondere von der nachgewiesenen präzisen Anfangszustandspräparation, basierend auf der Kontrolle jedes einzelnen Atomes in wechselwirkenden Vielteilchensystemen, und der ortsaufgelösten Erfassung von einzelnen Atomen. Dieses wird in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Informationsgewinnung über komplexe verschränkte Systeme liefern können.
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.
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.