In this thesis we report on measurements of particle and heat transport through a mesoscopic constriction with a two-component Fermi gas featuring tunable interactions.To this end we realize the ultracold atom equivalent of a two-terminal transport setup by connecting two reservoirs of fermionic lithium 6 by a quantum point contact.This mesoscopic structure is shaped by introducing strong confinement in the center of a cigar-shaped atomic cloud, splitting it into two separated clouds that act as thermodynamic reservoirs.Transport of particles and heat is induced by applying a difference in particle number or temperature.The hereby driven currents through the contact are observed by measuring the time evolution of the spatially resolved density distribution in the reservoirs.Our system offers high control and tunability, allowing access to a broad parameter regime.A high-resolution microscope enables us to project precise mesoscopic potential structure onto the cloud, such as a quantum point contact with one or more channels accessible.Using the specific properties of lithium 6 we can tune the interaction strength between the atoms from non-interacting to strongly correlated regimes, where the superfluid character of the constituents dominates the transport properties.We characterize the quantum point contact in a setting of weakly interacting reservoirs and show the first observation of quantized conductance in neutral matter, where each transverse energy mode in the channel contributes an amount of 1/h to the total conductance.Then we access a regime where only up to few modes are occupied and affirm the universal character of conductance quantization by showing stability towards changes in the channel geometry.The data shows good agreement with the Landauer-Büttiker formula without free parameters.Using the broad Feshbach resonance of lithium 6 we then tune the interaction strength to unitarity, a regime in which the reservoirs are strongly correlated superfluids.Here we observe a non-linear concave current-bias characteristics for a few-mode quantum point contact.This behavior is successfully modeled in a non-equilibrium Keldysh-Green formalism, where the large current at small biases is interpreted in terms of multiple Andreev reflections at a superfluid-normal-superfluid junction.With increasing temperature of the reservoirs towards the critical temperature of the superfluid transition, a linear current-bias relation is restored with conductances that are order of magnitude larger than what is expected from Fermi liquid theory.We then extend this study to the measurement of the thermoelectric response upon imposing a temperature bias.Here we find suppressed heat diffusion due to a suppressed Lorenz number and finite Seebeck coefficient, which brings the system towards a non-equilibrium steady-state with finite temperature and chemical potential differences.i ZUSAMMENFASSUNG In dieser Arbeit untersuchen wir Teilchen-und Wärme-Transport durch mesoskopische Strukturen zwischen zwei Reservoiren, welche aus ultrakalten, Zweikomponenten-Fermigasen mit verstellbaren Wechselwirkungen bestehen.Dazu realisieren wir eine Zweipunkt-Transportanordnung für ultrakalte Atome, indem wir zwei Reservoire bestehend aus fermionischem Lithium 6 mit einem Quantenpunktkontakt verbinden.Wir formen den Quantenpunktkontakt durch starke Einschnürung im Zentrum einer Zigarren-förmigen Atomwolke, welche diese in zwei separierte Wolken teilt.Diese agieren als thermodynamische Reservoire.Um Wärme-und Teilchen-Transport zu messen, präparieren wir eine Differenz in Teilchenzahl oder Temperatur zwischen den Reservoirs induziert.Den dadurch induzierten Strom durch den Kontakt messen wir durch die zeitliche Evolution der räumlich aufgelösten Dichteverteilung der Reservoire.Unser System bietet hohe Kontrolle und Verstellbarkeit und bietet Zugang zu einem breiten Parameterregime.Durch ein hochauflösendes Mikroskop können wir präzise mesoskopische Strukturen auf die Wolke projizieren.Ein Beispiel dazu ist der Quantenpunktkontakt mit ein oder mehreren offenen Kanälen.Die spezifischen Eigenschaften von Lithium 6 erlauben es, die Wechselwirkung zwischen den Atomen zu verstellen, von einem nicht-wechselwirkenden zu einem stark korrelierten Regime, in welchem die superfluide Phase der Teilchen das Transportverhalten dominiert.Wir charakterisieren den Quantenpunktkontakt mit schwachen Wechselwirkungen in den Reservoiren und zeigen erstmalig quantisierte Leitfähigkeit mit neutralen Teilchen.Weiter gehen wir in ein Regime wo nur wenige Moden besetzt sind und bestätigen den universellen Charakter der Quantisierung der Leitfähigkeit, indem wir ihre Stabilität gegen Änderungen in der Geometrie des Kanals zeigen.Unsere Daten stimmen gut mit dem Landauer-Büttiker Formalismus ohne freie Parameter überein.Wir benutzen eine breite Feshbach-Resonanz in Lithium 6, um die Wechselwirkung zum unitären Limit einzustellen.In diesem Regime sind die Reservoire stark korrelierte Superfluide.Hier messen wir eine nichtlineare konkave Strom-Bias-Kennlinie in einem Quantenpunktkontakt mit wenigen Moden.Dieses Verhalten wird erfolgreich mit einem Nicht-Gleichgewichts Keldysh-Green Formalismus modelliert.Darin werden die starken Ströme bei schwachem Bias als mehrfache Andreev Reflexionen an einem Superfluid-Normal-Superfluid Kontakt interpretiert.Mit steigender Temperatur nahe des superfluiden Übergangs in den Reservoiren sehen wir einen Rückgang zu linearem Storm-Bias Verhalten.Die dabei gemessenen Leitfähigkeiten sind um Größenordnungen höher als was von einer Fermi-Flüssigkeit erwartet würde.Im nächsten Schritt erweitern wir diese Studie um die thermoelektrische Reaktion, indem wir eine Temperatur-Differenz induzieren.Wir finden hier unterdrückte Wärme-Diffusion stammend von einer kleinen Lorenz-Zahl, und einen endlichen Seebeckiii Koeffizienten.Diese führen das System zu einem Nichtgleichgewichtszustand mit endlichen Differenzen in Temperatur und chemischem Potential.Im letzten Experiment verlassen wir das ballistische Regime, indem wir ein modifizierbares eindimensionales Gitter endlicher Länge mit dem mesoskopischen Kanal überlagern.Hier sehen wir die Entstehung einer Bandlücke im Transmissionsspektrum, wenn das Gitter Schritt für Schritt aufgebaut wird.Die Bandlücke ist robust gegen Wechselwirkungen, was wir mit der Formierung einer Luther-Emery-Flüssigkeit erklären.Unsere Implementation eines Transport-Aufbaus für kalte Atome schafft einen neue Art, Phänomene auf einer mesoskopischen Längenskala zu studieren; der Aufbau bietet hohe Einstellbarkeit sowohl in der Geometrie als auch in Wechselwirkungsstärke.Die experimentellen Ergebnisse zeigen faszinierende Eigenschaften des unitären Fermigases, deren Verständnis nach mikroskopischem Modellen verlangen.In nächste Schritten könnte man die Effekte der Wechselwirkunsstärke kombinieren mit Spin-abhängigen Potentialen, womit die Realisierung von exotischen Quanten-Vielteilchenzuständen in Griffweite rückt.
In this thesis we report on measurements of particle and heat transport through a mesoscopic constriction with a two-component Fermi gas featuring tunable interactions.To this end we realize the ultracold atom equivalent of a two-terminal transport setup by connecting two reservoirs of fermionic lithium 6 by a quantum point contact.This mesoscopic structure is shaped by introducing strong confinement in the center of a cigar-shaped atomic cloud, splitting it into two separated clouds that act as thermodynamic reservoirs.Transport of particles and heat is induced by applying a difference in particle number or temperature.The hereby driven currents through the contact are observed by measuring the time evolution of the spatially resolved density distribution in the reservoirs.Our system offers high control and tunability, allowing access to a broad parameter regime.A high-resolution microscope enables us to project precise mesoscopic potential structure onto the cloud, such as a quantum point contact with one or more channels accessible.Using the specific properties of lithium 6 we can tune the interaction strength between the atoms from non-interacting to strongly correlated regimes, where the superfluid character of the constituents dominates the transport properties.We characterize the quantum point contact in a setting of weakly interacting reservoirs and show the first observation of quantized conductance in neutral matter, where each transverse energy mode in the channel contributes an amount of 1/h to the total conductance.Then we access a regime where only up to few modes are occupied and affirm the universal character of conductance quantization by showing stability towards changes in the channel geometry.The data shows good agreement with the Landauer-Büttiker formula without free parameters.Using the broad Feshbach resonance of lithium 6 we then tune the interaction strength to unitarity, a regime in which the reservoirs are strongly correlated superfluids.Here we observe a non-linear concave current-bias characteristics for a few-mode quantum point contact.This behavior is successfully modeled in a non-equilibrium Keldysh-Green formalism, where the large current at small biases is interpreted in terms of multiple Andreev reflections at a superfluid-normal-superfluid junction.With increasing temperature of the reservoirs towards the critical temperature of the superfluid transition, a linear current-bias relation is restored with conductances that are order of magnitude larger than what is expected from Fermi liquid theory.We then extend this study to the measurement of the thermoelectric response upon imposing a temperature bias.Here we find suppressed heat diffusion due to a suppressed Lorenz number and finite Seebeck coefficient, which brings the system towards a non-equilibrium steady-state with finite temperature and chemical potential differences.i ZUSAMMENFASSUNG In dieser Arbeit untersuchen wir Teilchen-und Wärme-Transport durch mesoskopische Strukturen zwischen zwei Reservoiren, welche aus ultrakalten, Zweikomponenten-Fermigasen mit verstellbaren Wechselwirkungen bestehen.Dazu realisieren wir eine Zweipunkt-Transportanordnung für ultrakalte Atome, indem wir zwei Reservoire bestehend aus fermionischem Lithium 6 mit einem Quantenpunktkontakt verbinden.Wir formen den Quantenpunktkontakt durch starke Einschnürung im Zentrum einer Zigarren-förmigen Atomwolke, welche diese in zwei separierte Wolken teilt.Diese agieren als thermodynamische Reservoire.Um Wärme-und Teilchen-Transport zu messen, präparieren wir eine Differenz in Teilchenzahl oder Temperatur zwischen den Reservoirs induziert.Den dadurch induzierten Strom durch den Kontakt messen wir durch die zeitliche Evolution der räumlich aufgelösten Dichteverteilung der Reservoire.Unser System bietet hohe Kontrolle und Verstellbarkeit und bietet Zugang zu einem breiten Parameterregime.Durch ein hochauflösendes Mikroskop können wir präzise mesoskopische Strukturen auf die Wolke projizieren.Ein Beispiel dazu ist der Quantenpunktkontakt mit ein oder mehreren offenen Kanälen.Die spezifischen Eigenschaften von Lithium 6 erlauben es, die Wechselwirkung zwischen den Atomen zu verstellen, von einem nicht-wechselwirkenden zu einem stark korrelierten Regime, in welchem die superfluide Phase der Teilchen das Transportverhalten dominiert.Wir charakterisieren den Quantenpunktkontakt mit schwachen Wechselwirkungen in den Reservoiren und zeigen erstmalig quantisierte Leitfähigkeit mit neutralen Teilchen.Weiter gehen wir in ein Regime wo nur wenige Moden besetzt sind und bestätigen den universellen Charakter der Quantisierung der Leitfähigkeit, indem wir ihre Stabilität gegen Änderungen in der Geometrie des Kanals zeigen.Unsere Daten stimmen gut mit dem Landauer-Büttiker Formalismus ohne freie Parameter überein.Wir benutzen eine breite Feshbach-Resonanz in Lithium 6, um die Wechselwirkung zum unitären Limit einzustellen.In diesem Regime sind die Reservoire stark korrelierte Superfluide.Hier messen wir eine nichtlineare konkave Strom-Bias-Kennlinie in einem Quantenpunktkontakt mit wenigen Moden.Dieses Verhalten wird erfolgreich mit einem Nicht-Gleichgewichts Keldysh-Green Formalismus modelliert.Darin werden die starken Ströme bei schwachem Bias als mehrfache Andreev Reflexionen an einem Superfluid-Normal-Superfluid Kontakt interpretiert.Mit steigender Temperatur nahe des superfluiden Übergangs in den Reservoiren sehen wir einen Rückgang zu linearem Storm-Bias Verhalten.Die dabei gemessenen Leitfähigkeiten sind um Größenordnungen höher als was von einer Fermi-Flüssigkeit erwartet würde.Im nächsten Schritt erweitern wir diese Studie um die thermoelektrische Reaktion, indem wir eine Temperatur-Differenz induzieren.Wir finden hier unterdrückte Wärme-Diffusion stammend von einer kleinen Lorenz-Zahl, und einen endlichen Seebeckiii Koeffizienten.Diese führen das System zu einem Nichtgleichgewichtszustand mit endlichen Differenzen in Temperatur und chemischem Potential.Im letzten Experiment verlassen wir das ballistische Regime, indem wir ein modifizierbares eindimensionales Gitter endlicher Länge mit dem mesoskopischen Kanal überlagern.Hier sehen wir die Entstehung einer Bandlücke im Transmissionsspektrum, wenn das Gitter Schritt für Schritt aufgebaut wird.Die Bandlücke ist robust gegen Wechselwirkungen, was wir mit der Formierung einer Luther-Emery-Flüssigkeit erklären.Unsere Implementation eines Transport-Aufbaus für kalte Atome schafft einen neue Art, Phänomene auf einer mesoskopischen Längenskala zu studieren; der Aufbau bietet hohe Einstellbarkeit sowohl in der Geometrie als auch in Wechselwirkungsstärke.Die experimentellen Ergebnisse zeigen faszinierende Eigenschaften des unitären Fermigases, deren Verständnis nach mikroskopischem Modellen verlangen.In nächste Schritten könnte man die Effekte der Wechselwirkunsstärke kombinieren mit Spin-abhängigen Potentialen, womit die Realisierung von exotischen Quanten-Vielteilchenzuständen in Griffweite rückt.
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.
Point contacts provide simple connections between macroscopic particle reservoirs. In electric circuits, strong links between metals, semiconductors, or superconductors have applications for fundamental condensed-matter physics as well as quantum information processing. However, for complex, strongly correlated materials, links have been largely restricted to weak tunnel junctions. We studied resonantly interacting Fermi gases connected by a tunable, ballistic quantum point contact, finding a nonlinear current-bias relation. At low temperature, our observations agree quantitatively with a theoretical model in which the current originates from multiple Andreev reflections. In a wide contact geometry, the competition between superfluidity and thermally activated transport leads to a conductance minimum. Our system offers a controllable platform for the study of mesoscopic devices based on strongly interacting matter.
Diese Arbeit befasst sich mit den kohärenten Effekten in mesoskopischen Systemen, die eindimensional sind.Mesoskopische Systeme sind besonders interessant, da ihre Grösse an der Grenze zwischen die mikroskopische Welt, die von der Quantenphysik regiert wird, und die makroskopische Welt, die den Gesetzen der klassischen Physik gehorcht, liegt.Um genauer zu sein, wir handeln mit Systemen, die gross genug sind, um viele konstituierende Teilchen zu haben, aber klein genug, um die Effekte der Quantenkohärenz dieser Teilchen zu zeigen.Sobald die mesoskopischen Systeme nur noch eindimensional sind, hat jede Störung einen tiefgreifenden Einfluss auf ihre Physik und kann neuartige Effekte hervorrufen, die sowohl für die Grundlagenwissenschaft als auch für praktische Anwendungen wichtig sind.Wir untersuchen daher, wie die häufigsten Störungen wie Wechselwirkungen zwischen Teilchen, der Einfluss der Umgebung, des externen Potenzials und der nichttrivialen Bandstruktur zusammenwirken, um neuartige Effekte in eindimensionalen mesoskopischen Systemen zu erzeugen.Die Arbeit gliedert sich logischerweise in drei Hauptteile, die insgesamt fünf Projekte umfassen.Der Hauptdarsteller des ersten Teils ist der stark wechselwirkende Quantendraht.Es ist bekannt, dass Wechselwirkungen eine Fülle interessanter Effekte in eindimensionalen Systemen hervorrufen, und im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir, wie einige dieser Effekte verändert werden, wenn der Draht mit externen Leitungen verbunden wird.Wir gehen über die Standardbeschreibung der Leitungen als Markov'sche Bäder mit ohmschem Rauschleistungsspektrum hinaus und betrachten sie stattdessen als Bäder mit endlicher Kapazität oder als Bäder mit nicht-ohmschen Rauschleistungsspektren. Zunächst untersuchen wir die Tunnelspektroskopie des mit den kapazitiven Leitungen verbundenen Drahtes und entdecken neue Regime, die sich durch verstärktes Tunneln bei niedrigen Energien und ein universelles Abklingen des Tunnels bei hohen Energien auszeichnen.Darüber hinaus zeigen die lokalen Tunnelmessungen die einzigartige räumliche Abhängigkeit, die die Bildung von stehenden plasmonischen Wellen im Draht kennzeichnet.Wir nutzen dann die Ergebnisse des ersten Projekts und gehen im zweiten Projekt einen Schritt weiter und untersuchen, wie die nichtohmschen Leitungen den Transport durch einen interagierenden Draht, der eine einzige rückstreuende Verunreinigung enthält, beeinflussen.Ohne Elektroden verschwindet die Leitfähigkeit durch den interagierenden Draht bei abstossenden Wechselwirkungen zwischen Elektronen, während sie bei anziehenden Wechselwirkungen endlich bleibt.Bei Vorhandensein von Ableitungen entdecken wir, dass bei bestimmten Energieskalen das nichtohmsche Rauschleistungsspektrum dazu führen kann, dass sich ein abstossend wechselwirkender Draht wie ein anziehend wechselwirkender Draht verhält und umgekehrt.Dieser Effekt iii iv manifestiert sich in der Leitfähigkeit durch den Draht, die in Experimenten direkt gemessen werden kann.Im zweiten Teil dieser Arbeit entfernen wir die Leitungen und fügen dem unendlich langen Draht eine räumlich verteilte Unordnung hinzu.Als Unordnung wählen wir ein lokales Potential mit einer quasiperiodischen Modulation, so dass das ganze System zu einem Quasikristall wird.Quasikristalle haben keine Translationssymmetrie und sind nicht periodisch, aber dennoch geordnet und deterministisch.Dies führt zu reichen Lokalisierungseigenschaften, wie z.B. fraktalen kritischen Wellenfunktionen, die im Raum zerfallen, aber nicht vollständig lokalisiert sind.Bei Vorhandensein von Wechselwirkungen können quasiperiodische Modelle lokalisierte Phasen mit vielen Körpern enthalten, in denen die Dynamik des Systems selbst bei extrem hohen Temperaturen eingefroren ist.Im ersten Projekt dieses Teils der Arbeit untersuchen wir, wie die kritischen Zustände durch eine Kaskade von bandselektiven Lokalisierungs-/Delokalisierungsübergängen in dem spezifischen, nicht wechselwirkenden quasiperiodischen Modell gebildet werden.In Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe erklären wir den für die Kaskade verantwortlichen Mechanismus und entdecken ein reichhaltiges Phasendiagramm.Im zweiten Projekt fügen wir die Wechselwirkungen zu demselben quasiperiodischen Modell hinzu und erhalten sein Mehrkörper-Lokalisierungsphasendiagramm.Wir zeigen, dass die Kaskade der Delokalisierungsübergänge, die im nicht interagierenden Fall gefunden wurde, selbst bei schwachen Interaktionen verschwindet.Das Thema des dritten Teils dieser Arbeit ist die Fabry-Pérot-Interferenz in zweidimensionalen Geräten.Obwohl das untersuchte Gerät nicht streng eindimensional ist, zeigen wir, dass die Physik durch ein effektives System von gekoppelten Quantendrähten mit unterschiedlichen Energiedispersionen beschrieben werden kann.Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit den experimentellen Kollegen durchgeführt, wobei wir den Transport durch einen Hohlraum in einem zweidimensionalen Material untersuchen, das durch Band-Inversion und Elektron-Loch-Hybridisierung gekennzeichnet ist.Wir stellen fest, dass die Elektron-Loch-Hybridisierung in band-invertierten Systemen eine kohärente Interferenz bei Transportmessungen ermöglichen kann.In solchen Systemen haben Leitungs-und Volanzbänder die Form eines Sombrero-Hutes, der in Kombination mit einer dominanten Elektron-Loch-Streuung an den Hohlraum-Blei-Grenzflächen parallele eindimensionale Transportkanäle erzeugt.Diese parallelen Transportkanäle haben die gleichen Bedingungen für konstruktive Interferenz, was zu einem nicht verschwindenden Interferenzmuster führt, selbst nach Mittelwertbildung über mehrere Einfallswinkel.Auf diese Weise entdecken wir einen neuen Mechanismus zur Realisierung der Fabry-Pérot-Interferenz in zweidimensionalen mesoskopischen band-invertierten Systemen, der bisher nur in eindimensionalen Geräten, wie z.B. in Nanoröhren, und in zweidimensionalen graphenbasierten Geräten demonstriert wurde.
Point contacts provide simple connections between macroscopic particle reservoirs. In electric circuits, strong links between metals, semiconductors, or superconductors have applications for fundamental condensed-matter physics as well as quantum information processing. However, for complex, strongly correlated materials, links have been largely restricted to weak tunnel junctions. We studied resonantly interacting Fermi gases connected by a tunable, ballistic quantum point contact, finding a nonlinear current-bias relation. At low temperature, our observations agree quantitatively with a theoretical model in which the current originates from multiple Andreev reflections. In a wide contact geometry, the competition between superfluidity and thermally activated transport leads to a conductance minimum. Our system offers a controllable platform for the study of mesoscopic devices based on strongly interacting matter.
Recent advances in experimental techniques allow one to create a quantum point contact between two Fermi superfluids in cold atomic gases with a tunable transmission coefficient. In this Rapid Communication we propose that three distinct behaviors of charge transports between two Fermi superfluids can be realized in this single setup, which are the multiple Andreev reflection, the self-trapping, and the Josephson oscillation. We investigate the dynamics of atom number difference between two reservoirs for different initial conditions and different transmission coefficients, and present a coherent picture of how the crossover between different regimes takes place. Our results can now be directly verified in the current experimental system.
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.