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Numerische Simulationen des Kühlens und topologischer Anregungen von Quantengasen

Jan Max Walter Krüger

Published Jan 1, 2004• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die numerische Untersuchung der Erzeugung ultrakalter Teilchen-Ensembles und die Manipulation von Wolken aus Bose-Einstein-kondensierten Teilchen (BEK). Ultrakalte Teilchen-Ensembles werden gewöhnlich in mehreren Kühlungsschritten erzeugt, von denen der letzte und effektivste die Verdampfung von Teilchen aus der Falle ist. Unter besonderer Berücksichtigung der Eigenheiten und Probleme, die sich bei den magnetischen Auffang- und Kühlungsprozessen molekularen Sauerstoffs ergeben, wurde ein Simulationsprogramm für den Verdampfungskühlungsprozeß entwickelt. Zusätzlich wurde mit den Mitteln der Quantenchemie eine Potenzialenergiefläche (PES) für den molekularen O2-O2 Kollisionsprozeß berechnet, um verbesserte Daten für die Bestimmung elastischer und inelastischer Kollisionsparameter zu gewinnen. In den quantenchemischen Berechnungen werden die einzelnen Moleküle als starre Rotatoren behandelt und es wird ein ab initio Ansatz gemacht, um die PES numerisch als Funktion des totalen molekularen Spins, des intermolekularen Abstands und der relativen Molekülorientierung zu bestimmen. Für die Implementierung des Programms zur Simulation der Verdampfungskühlung mussten etliche Algorithmen angepaßt und verbessert werden, um das zu untersuchende physikalische Problem korrekt zu simulieren. Insbesondere müssen ein großer anteiliger Teilchenverlust aus der Magnetfalle, sehr starke Dichteinhomogenitäten und ein weites Teilchenenergiespektrum konsistent beschrieben werden. Das Programm wird benutzt, um den Verdampfungskühlungsprozeß in harmonischen und in linearen Quadrupolmagnetfallen zu untersuchen. Zwecks der Simulation topologischer Anregungen wie Wirbel (Vortices) und Solitonen in Bose-Einstein Kondensatwolken nahe der absoluten Temperatur wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das die dreidimensionale numerische zeitliche Entwicklung der quantenmechanischen makroskopischen Materiewellenfunktion auf modernen Arbeitsplatzrechnern erlaubt. Die physikalische Beschreibung des Bose-Einstein Kondensats ist dabei gegeben durch die nichtlineare Gross-Pitaevskii Gleichung. In Zusammenarbeit mit zwei Experimentalphysikgruppen in Oxford/UK und Konstanz wurde eine Anzahl verschiedener Fragestellungen modelliert und bearbeitet. Eine Anwendung ist die Simulation der Reaktion eines Zentralvortexzustands eines Bose-Einstein Kondensats auf äußerliche Störungen. Die Abhängigkeit der kollektiven Anregungsenergien der Kondensatwolke von der Präsenz von Wirbeln wird untersucht, und die resonante Anregung von Kelvin Moden eines zentralen Vortexkerns wird gezeigt. Zusätzlich wird die Abhängigkeit der Expansion einer BEK Wolke in einer räumlichen Richtung besonderer Fallenstärke von der Abbaugeschwindigkeit eines residualen optischen oder magnetischen Fallenfeldes aufgezeigt. Dies ist insofern von praktischer Bedeutung, als die Expansion von BEK Wolken besonders häufig als Standardmethode experimenteller destruktiver Beobachtungstechniken eingesetzt wird. Eine weitere Anwendung unseres BEK Simulationsprogramms ist die Modellierung und Untersuchung der Solitonenbildung in BEK Wolken in periodischen optischen Gitterpotenzialen. In solchen durch stehende Laser-Lichtwellen erzeugten Potenzialen können helle Bandkantensolitonen experimentell präpariert werden. Der Solitonenbildungsprozeß ist grundsätzlich eindimensional, er kann allerdings im dreidimensionalen Raum näherungsweise nachgebildet werden wenn die überzähligen Dimensionen durch ein besonders starkes Fallenpotenzial eingezwängt werden. Die kleinskaligen Details der Solitonenprozesse erfordern eine Abänderung des BEK Simulationsprogramms zur Ausnutzung der radialen Wolkensymmetrie zwecks einer Reduktion der numerischen Komplexität. Diese Entwicklungen erlauben eine quantitative Untersuchung und Modellierung der Experimente, in denen solche Solitonen realisiert werden.

Related papers

Ultrakalte Quantengase und Atomlaser

Schneider, Jens

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.

•Jan 1, 2001•0 citations

Numerical studies of strongly correlated quantum systems

Simon M. Linsel

Numerische Simulationen sind ein unverzichtbares Werkzeug der modernen Physik geworden, insbesondere im Kontext stark korrelierter Quantensysteme, die häufig nicht analytisch behandelt werden können. Viele Physiker betrachten die numerische Physik mittlerweile als eigene Fachrichtung neben der experimentellen und der theoretischen Physik. In den Veröffentlichungen, aus denen diese kumulative Dissertation besteht, werden stark korrelierte Quantensysteme studiert. Dafür werden eine Vielzahl moderner numerischer Methoden verwendet, unter anderem exakte Diagonalisierung, Matrix-Produktzustände, Quanten-Monte-Carlo und neuronale Quantenzustände. In dieser Dissertation werden drei Klassen von stark korrelierten Quantensystemen betrachtet: 1) Vom Hubbard-Modell abgeleitete frustrierte Quantenmagnete, 2) Toric Codes und 3) Z2 Gittereichtheorien. Seit der Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung in Cupraten in den 1980er-Jahren sind die Niedertemperaturphasen von Cupraten von zentralem Interesse für experimentelle und theoretische Studien. Modelle wie das Hubbard-Modell wurden eingeführt, um die effektive zweidimensionale Physik in CuO2-Schichten zu modellieren. Das Verschwinden der antiferromagnetischen Ordnung als Konsequenz von Störstellen und deren Zusammenhang mit supraleitenden Phasen ist bedeutsam, um den Bindungsmechanismus von Elektronen in supraleitenden Phasen zu entschlüsseln. Dieser Bindungsmechanismus ist bis heute Gegenstand aktueller Forschung. Mikroskopische Studien des t-J-Modells, eines Grenzfalls des Hubbard-Modells bei starken Interaktionen, legen Szenarien nahe, in denen Elektronen in zwei Partons fraktionalisieren: Ein Spinon (trägt den Spin) und ein Holon (trägt die Ladung). Mit Hilfe von Matrix-Produktzuständen wird in dieser Dissertation für einen paradigmatischen dotierten, frustrierten Quantenmagneten - das Majumdar-Ghosh-Modell - gezeigt, dass die Existenz eines gebundenen Parton-Zustands eng mit einer Feshbach-Resonanz verknüpft ist. Frustrierte Quantenmagnete werden zudem als Plattform vorgeschlagen, um Systeme weniger Teilchen zu untersuchen. Der Toric Code ist ein Grundpfeiler der modernen Physik der kondensierten Materie und ein grundlegendes Modell für die Felder Topologie und Quantum Error Correction. Der Grundzustand des Toric Codes ist eine Z2 Quantenspinflüssigkeit und ist eines der einfachsten Beispiele für eine topologische Phase. Es wurde ein C++-Softwarepaket (ParaToric) entwickelt, in dem ein Continuous-Time-Quanten-Monte-Carlo-Verfahrem implementiert wird, um den Toric Code in einem parallel angelegten Feld zu simulieren. Der Algorithmus von Wu, Deng und Prokof’ev wurde um weitere Zustandsaktualisierungen erweitert, die Simulationen in bislang unzulänglichen Parameterbereichen ermöglichen. ParaToric erlaubt bislang unerreichte Systemgrößen und bildet die Grundlage für Publikationen mit den bisher größten Systemen auf dreieckigen, quadratischen, hexagonalen und kubischen Gittern. Es werden Schnittstellen für C, C++ und Python bereitgestellt, die eine nahtlose Integration von ParaToric in Projekte Dritter ermöglichen. In dieser Dissertation werden neue geometrische Ordnungsparameter für Z2-Gittereichtheorien auf Basis von Perkolationstheorie eingeführt und getestet. Diese Ordnungsparameter können direkt aus experimentellen Messungen von Quantensimulatoren berechnet werden und sind konkurrierenden Ordnungsparametern in vielen Bereichen überlegen. Die Anwendung auf den Toric Code offenbart, dass selbst beim absoluten Nullpunkt Deconfined Phasen existieren, die nicht topologisch sind. Des Weiteren wird eine neue Netzwerkarchitektur für neuronale Quantenzustände eingeführt, die ungefähre Symmetrien in das Netzwerk kodiert. Diese Netzwerkarchitektur wird verwendet, um die Phasendiagramme nicht-stoquastischer Varianten des Toric Codes zu berechnen. Zu guter Letzt werden symmetriegeschützte topologische Phasen vorgeschlagen, die auch bei einer endlichen Temperatur existieren.

•Jan 1, 2025•0 citations

Wechselwirkungen in ultrakalten dipolaren Gasen

S. Hensler

Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEC), erfuhr das Feld der atomaren Quantengase eine rasante Entwicklung und stellt heute eines der spannendsten und interdisziplinärsten Feldern in der Atomphysik dar. Die Eigenschaften dieser Gase werden hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen bzw. Molekülen bestimmt, die in den bisher realisierten Kondensaten durch die Kontaktwechselwirkung dominiert wird. Theoretisches und experimentelles Interesse richtet sich seit kurzem auf weitere Wechselwirkungen in diesen entarteten Gasen. Insbesondere wurde die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol-Wechselwirkung in einem Quantengas, das aus in einem externen Feld ausgerichteten Dipolen besteht, theoretisch untersucht. Im Hinblick auf die Realisierung eines dipolaren atomaren Quantengases stellt Chrom dabei ein äußerst Erfolg versprechendes Element dar. Im Vergleich zu bisherigen BEC-Experimenten, in denen meist Alkali-Atome verwendet wurden, ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung um einen Faktor 36 größer und in seiner Stärke mit der Kontakt-Wechselwirkung vergleichbar. Ein wesentlich stärkeres Dipolmoment wird bei einem im elektrischen Feld ausgerichteten Cr-Rb-Molekül erwartet. In einem solchen Molekülgas wird die Wechselwirkung durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung dominiert. Zur Erzeugung solcher Quantengase wurde in dieser Arbeit ein neuer Aufbau konzipiert und realisiert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung ultrakalter, klassischer, bosonischer Cr-Gase, die zur Erzeugung eines dipolaren BECs dienen sollen. Ausgehend von einem lasergekühlten, magnetisch gespeicherten Cr-Ensemble wird in dieser Arbeit die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in diesem ultrakalten, dipolaren Gas experimentell studiert. Die theoretische Beschreibung durch die Streuung zweier Dipole führt dabei zu einem sehr allgemeinen Verständnis der Streuprozesse in dipolaren Gasen. In dieser Arbeit wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass bereits bei einem magnetischen Moment von sechs Bohrschen Magnetonen aufgrund von dipolaren Relaxationsstößen die Kondensation durch Evaporation der Cr-Atome in einer Magnetfalle nicht möglich ist. Die aus den Streuexperimenten gewonnenen Erkenntnisse bilden nun die Grundlage zur Entwicklung einer sehr aussichtsreichen Strategie. Dabei soll die Kondensation durch Verdampfungskühlen in einer optischen Falle im energetisch tiefsten Zustand der Dipole erfolgen, in dem keine Spinrelaxationsprozesse mehr möglich sind. Durch die Implementation dieses neuen Fallentyps für Cr wird somit eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einem BEC genommen. Obwohl es in dieser Arbeit noch nicht gelingt, die Atome in dieser Falle im energetische tiefsten Zustand zu polarisieren, können zwei Konzepte demonstriert werden, mit denen die Kondensation in diesem Fallentyp erreicht werden kann. Mit ersten Experimente an kombinierten Cr-Rb-Fallen wird in einem weiteren Teil dieser Arbeit ein neues Forschungsprojekt begonnen mit dem Ziel, ein entartetes heteronukleares Molekülgas aus einem zweikomponentigen entarteten Quantengas zu erzeugen. Es werden erste Resultate zum simultanen Betrieb zweier magneto-optischer Fallen (MOT) und dem überlagerten Betrieb von Rb-MOT und Cr-Magnetfalle vorgestellt.

•Jan 1, 2004•2 citations

Erzeugung und Charakterisierung ultrakalter Rubidium- und Ytterbiumatome - Auf dem Weg zu einem gemischten Quantengas

Alexander Batär

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.

•Jan 1, 2005•2 citations

Materiewellenstreuung an wechselwirkenden Bosonen in optischen Gittern

Klaus Rudolf Mayer

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Wechselwirkung zwischen extrem kalten Bosonen, die in einem optischem Gitter gehalten werden, auf des Streusignal eines Teilchens, welches als Sonde fungiert. Die Bosonen im Gitter werden durch das Bose-Hubbard-Modell beschrieben. Ausgangspunkt für unsere Untersuchungen ist ein allgemeiner Ausdruck für den Streuquerschnitt des Teilchens, der für beliebige Wechselwirkungsstärken gültig ist. Generell erfordert die Bestimmung der Streueigenschaften die numerische Diagonalisierung des Hamilton- Operators, welcher die Bosonen beschreibt. Um eine analytische Beschreibung des Problems zu erhalten, machen wir von verschiedenen Näherungen Gebrauch, die für unterschiedliche Stärken der Wechselwirkung gültig sind. Numerische Simulationen zeigen, daß sich die Wechselwirkungsstärke im inelastischen Streuquerschnitt offenbart, welcher mit zunehmender Wechselwirkungsenergie abnimmt. Im Regime schwacher Wechselwirkungen können die Bosonen im Gitter durch eine makroskopisch besetzte Wellenfunktion – dem sogenannten Kondensat – beschrieben werden, vorausgesetzt die Zahl der Bosonen, die sich nicht im Kondensat befinden, ist klein im Vergleich zu ihrer Gesamtzahl. In der Bogoliubov-Näherung wird der Hamilton-Operator der Bosonen im Gitter durch eine klassische Hamilton-Funktion ersetzt, und Quantenfluktuationen um das klassische Feld (welches das Kondensat beschreibt) werden als Störung betrachtet. Dies erlaubt die analytische Bestimmung des Streuquerschnitts, der aufgrund der Anregung von Dichtefluktuationen einen nichtverschwindenden inelastischen Anteil aufweist. Wir zeigen, daß dieser für kleine Werte der Wechselwirkung linear abnimmt. Dieser lineare Zerfall ist universell insofern, als seine Steigung unabhängig von der bosonischen Dichte und der Größe des Gitters ist. Im Falle starker repulsiver Wechselwirkungen wird ein Quantenphasenübergang der Bosonen von einem superfluiden in einen isolierenden Zustand erwartet. In diesem Regime lässt sich das System störungstheoretisch behandeln, wobei der Wechselwirkungsterm im Hamilton-Operator der Bosonen im Gitter als Operator des ungestörten Systems betrachtet wird, und die kinetische Energie in Form des quantenmechanischen Tunnelns der Teilchen als Störung. Große Wechselwirkungsstärken führen zu einer Unterdrückung von Dichtefluktuationen – aufgrund der Abstoßung, welche die Lokalisierung der Atome energetisch favorisiert – und damit zur Abnahme des inelastischen Streusignals. Wir leiten eine Näherung für den inelastischen Streuquerschnitt in niedrigster Ordnung in der Tunnelstärke her. Im Gegensatz zum schwach wechselwirkenden Regime zerfällt das Streusignal hier quadratisch als Funktion der Wechselwirkung. Insbesondere ist in dieser Ordnung der Näherung keine qualitative änderung des Zerfalls am erwarteten Punkt des Quantenphasenübergangs zu beobachten. Um die Genauigkeit unserer Näherungen zu prüfen und ihre Aussagekraft zu untermauern, führen wir in sämtlichen Fällen numerische Simulationen des exakten Streuproblems durch und vergleichen die erhaltenen Daten mit den Näherungsformeln. So können wir zeigen, daß die von uns hergeleitete analytische Beschreibung innerhalb der jeweiligen Grenzen ihrer Gültigkeit die numerisch erhaltenen Daten zu reproduzieren vermag. Entsprechend diskutieren und erläutern wir Abweichungen, die auftreten, wenn diese Grenzen überschritten werden.

•Jan 1, 2014•0 citations

Coherent control over the motional states of a Bose-Einstein condensate and applications

Sandrine van Frank

Die kohärente Kontrolle von Quantenzuständen ist Gegenstand von Untersuchungen seitdem Quantensysteme in Laboren erzeugt werden. Die Aussicht, eines Tages einen Quantencomputer realisieren zu können, der Kohärenzeigenschaften von Quantensystemen nützt um die verfügbare Rechenleistung zu vervielfachen, ist dafür selbstverständlich eine wichtige Motivation, jedoch nicht die einzige. Präzise Kontrolle ermöglicht es, Systeme in bestimmten Quantenzuständen zu präparieren und zu manipulieren, etwa um Präzessionsmessungen zu realisieren. Ultrakalte Atome sind ein ideales Modellsystem für fortgeschrittene Kontrollschemata. Von ihrer Umgebung isoliert, verfügen sie über lange Kohärenzzeiten; gleichzeitig ist ihre Reaktion auf externe Anregungen im Vergleich zu anderen Systemen relativ einfach zu untersuchen. Außerdem können unterschiedliche Parameter über einen weiten Bereich abgestimmt werden, wie etwa die Dichte oder Wechselwirkungsstärke. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, ein Spektrum von Quantentheorien experimentell zu untersuchen. Kohärente Kontrolle von Quantenzuständen in Systemen aus ultrakalten Atomen ist deshalb ein reiches Forschungsgebiet, das sowohl für fundamentale Tests der Quantentheorie als auch für praktische Anwendungen vielversprechend ist. In dieser Dissertation wurde ein Schema entwickelt um Bewegungszustände eines Bose-Einstein Kondensates gezielt zu manipulieren. Dies geschieht auf eine Art die nicht nur die Kohärenzeigenschaften des Systems bewahrt, sondern auch schnell im Vergleich zur typischen Zeitskala des Systems ist. Experimentell umgesetzt wird dies in einem elongierten Kondensat auf einem Atomchip, welches ursprünglich im transversalen Grundzustand des Fallenpotentials ist. Das Kondensat wird entlang der transversalen Richtung verschoben um höhere Bewegungszustände anzuregen. Mithilfe der Theorie der optimalen Kontrolle wird die Verschiebung des Kondensats optimiert um bestimmte Bewegungszustände oder deren ü berlagerung zu erhalten. Die Optimierungen der 'Schüttelpulse' basieren auf einer Beschreibung des Kondensates in einer mean-field Näherung. Verschiedene Überlagerungen von Bewegungszuständen konnten sowohl theoretisch als auch experimentell in 1.1 ms mit einer Effizienz von mehr als 98 % erreicht werden. Diese Art der Kontrolle wurde angewandt um erstmals ein Interferometer mit Bewegungszuständen zu realisieren. Die beiden Pfade des Interferometers sind hier der Grundzustand und erste tranversal angeregte Zustand. In der Zeit zwischen den beiden optimierten Bewegungspulsen die als Strahlteiler dienen, wird eine Phase akkumuliert. Die Herausforderung bei diesem Schema besteht darin, einen effizienten Puls für alle Phasen zu finden. Das Interferometer wurde numerisch optimiert und erfolgreich experimentell umgesetzt und lieferte einen Kontrast von 92 %. Die so erzeugten ü berlagerungen von Bewegungszuständen sind nicht stabil und es wurde eine Dämpfung auf einer Zeitskala von 10 ms beobachtet. Um ein besseres Verständnis zu erlangen wurden einige Dämpfungsmechanismen in Betracht gezogen und theoretische Modelle entwickelt. Insbesondere werden Dekohärenz und Dephasierung entlang der axialen Richtung des Kondensates untersucht. Ein transversales Vielteilchen- Modell, das drei Bewegungszustände beinhaltet, wurde entwickelt um daraus die Zeitskalen der Dämpfung sowie die Abhängigkeit von Parametern wie Atomzahl und Temperatur abzuleiten und mit den experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse demonstrieren schnelle und effiziente Kontrolle über Vibrationszustände und ebnen den Weg für praktische Anwendungen, wie etwa ein Interferometer mit Bewegungszuständen. Außerdem eröffnen sie eine neue Richtung für fundamentale Fragestellungen zur Nichtgleichgewichtsphysik in geschlossenen Systemen.

•Oct 1, 2015•0 citations
Die vorliegende Arbeit beschreibt die numerische Untersuchung der Erzeugung ultrakalter Teilchen-Ensembles und die Manipulation von Wolken aus Bose-Einstein-kondensierten Teilchen (BEK). Ultrakalte Teilchen-Ensembles werden gewöhnlich in mehreren Kühlungsschritten erzeugt, von denen der letzte und effektivste die Verdampfung von Teilchen aus der Falle ist. Unter besonderer Berücksichtigung der Eigenheiten und Probleme, die sich bei den magnetischen Auffang- und Kühlungsprozessen molekularen Sauerstoffs ergeben, wurde ein Simulationsprogramm für den Verdampfungskühlungsprozeß entwickelt. Zusätzlich wurde mit den Mitteln der Quantenchemie eine Potenzialenergiefläche (PES) für den molekularen O2-O2 Kollisionsprozeß berechnet, um verbesserte Daten für die Bestimmung elastischer und inelastischer Kollisionsparameter zu gewinnen. In den quantenchemischen Berechnungen werden die einzelnen Moleküle als starre Rotatoren behandelt und es wird ein ab initio Ansatz gemacht, um die PES numerisch als Funktion des totalen molekularen Spins, des intermolekularen Abstands und der relativen Molekülorientierung zu bestimmen. Für die Implementierung des Programms zur Simulation der Verdampfungskühlung mussten etliche Algorithmen angepaßt und verbessert werden, um das zu untersuchende physikalische Problem korrekt zu simulieren. Insbesondere müssen ein großer anteiliger Teilchenverlust aus der Magnetfalle, sehr starke Dichteinhomogenitäten und ein weites Teilchenenergiespektrum konsistent beschrieben werden. Das Programm wird benutzt, um den Verdampfungskühlungsprozeß in harmonischen und in linearen Quadrupolmagnetfallen zu untersuchen. Zwecks der Simulation topologischer Anregungen wie Wirbel (Vortices) und Solitonen in Bose-Einstein Kondensatwolken nahe der absoluten Temperatur wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das die dreidimensionale numerische zeitliche Entwicklung der quantenmechanischen makroskopischen Materiewellenfunktion auf modernen Arbeitsplatzrechnern erlaubt. Die physikalische Beschreibung des Bose-Einstein Kondensats ist dabei gegeben durch die nichtlineare Gross-Pitaevskii Gleichung. In Zusammenarbeit mit zwei Experimentalphysikgruppen in Oxford/UK und Konstanz wurde eine Anzahl verschiedener Fragestellungen modelliert und bearbeitet. Eine Anwendung ist die Simulation der Reaktion eines Zentralvortexzustands eines Bose-Einstein Kondensats auf äußerliche Störungen. Die Abhängigkeit der kollektiven Anregungsenergien der Kondensatwolke von der Präsenz von Wirbeln wird untersucht, und die resonante Anregung von Kelvin Moden eines zentralen Vortexkerns wird gezeigt. Zusätzlich wird die Abhängigkeit der Expansion einer BEK Wolke in einer räumlichen Richtung besonderer Fallenstärke von der Abbaugeschwindigkeit eines residualen optischen oder magnetischen Fallenfeldes aufgezeigt. Dies ist insofern von praktischer Bedeutung, als die Expansion von BEK Wolken besonders häufig als Standardmethode experimenteller destruktiver Beobachtungstechniken eingesetzt wird. Eine weitere Anwendung unseres BEK Simulationsprogramms ist die Modellierung und Untersuchung der Solitonenbildung in BEK Wolken in periodischen optischen Gitterpotenzialen. In solchen durch stehende Laser-Lichtwellen erzeugten Potenzialen können helle Bandkantensolitonen experimentell präpariert werden. Der Solitonenbildungsprozeß ist grundsätzlich eindimensional, er kann allerdings im dreidimensionalen Raum näherungsweise nachgebildet werden wenn die überzähligen Dimensionen durch ein besonders starkes Fallenpotenzial eingezwängt werden. Die kleinskaligen Details der Solitonenprozesse erfordern eine Abänderung des BEK Simulationsprogramms zur Ausnutzung der radialen Wolkensymmetrie zwecks einer Reduktion der numerischen Komplexität. Diese Entwicklungen erlauben eine quantitative Untersuchung und Modellierung der Experimente, in denen solche Solitonen realisiert werden.
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.
Numerische Simulationen sind ein unverzichtbares Werkzeug der modernen Physik geworden, insbesondere im Kontext stark korrelierter Quantensysteme, die häufig nicht analytisch behandelt werden können. Viele Physiker betrachten die numerische Physik mittlerweile als eigene Fachrichtung neben der experimentellen und der theoretischen Physik. In den Veröffentlichungen, aus denen diese kumulative Dissertation besteht, werden stark korrelierte Quantensysteme studiert. Dafür werden eine Vielzahl moderner numerischer Methoden verwendet, unter anderem exakte Diagonalisierung, Matrix-Produktzustände, Quanten-Monte-Carlo und neuronale Quantenzustände. In dieser Dissertation werden drei Klassen von stark korrelierten Quantensystemen betrachtet: 1) Vom Hubbard-Modell abgeleitete frustrierte Quantenmagnete, 2) Toric Codes und 3) Z2 Gittereichtheorien. Seit der Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung in Cupraten in den 1980er-Jahren sind die Niedertemperaturphasen von Cupraten von zentralem Interesse für experimentelle und theoretische Studien. Modelle wie das Hubbard-Modell wurden eingeführt, um die effektive zweidimensionale Physik in CuO2-Schichten zu modellieren. Das Verschwinden der antiferromagnetischen Ordnung als Konsequenz von Störstellen und deren Zusammenhang mit supraleitenden Phasen ist bedeutsam, um den Bindungsmechanismus von Elektronen in supraleitenden Phasen zu entschlüsseln. Dieser Bindungsmechanismus ist bis heute Gegenstand aktueller Forschung. Mikroskopische Studien des t-J-Modells, eines Grenzfalls des Hubbard-Modells bei starken Interaktionen, legen Szenarien nahe, in denen Elektronen in zwei Partons fraktionalisieren: Ein Spinon (trägt den Spin) und ein Holon (trägt die Ladung). Mit Hilfe von Matrix-Produktzuständen wird in dieser Dissertation für einen paradigmatischen dotierten, frustrierten Quantenmagneten - das Majumdar-Ghosh-Modell - gezeigt, dass die Existenz eines gebundenen Parton-Zustands eng mit einer Feshbach-Resonanz verknüpft ist. Frustrierte Quantenmagnete werden zudem als Plattform vorgeschlagen, um Systeme weniger Teilchen zu untersuchen. Der Toric Code ist ein Grundpfeiler der modernen Physik der kondensierten Materie und ein grundlegendes Modell für die Felder Topologie und Quantum Error Correction. Der Grundzustand des Toric Codes ist eine Z2 Quantenspinflüssigkeit und ist eines der einfachsten Beispiele für eine topologische Phase. Es wurde ein C++-Softwarepaket (ParaToric) entwickelt, in dem ein Continuous-Time-Quanten-Monte-Carlo-Verfahrem implementiert wird, um den Toric Code in einem parallel angelegten Feld zu simulieren. Der Algorithmus von Wu, Deng und Prokof’ev wurde um weitere Zustandsaktualisierungen erweitert, die Simulationen in bislang unzulänglichen Parameterbereichen ermöglichen. ParaToric erlaubt bislang unerreichte Systemgrößen und bildet die Grundlage für Publikationen mit den bisher größten Systemen auf dreieckigen, quadratischen, hexagonalen und kubischen Gittern. Es werden Schnittstellen für C, C++ und Python bereitgestellt, die eine nahtlose Integration von ParaToric in Projekte Dritter ermöglichen. In dieser Dissertation werden neue geometrische Ordnungsparameter für Z2-Gittereichtheorien auf Basis von Perkolationstheorie eingeführt und getestet. Diese Ordnungsparameter können direkt aus experimentellen Messungen von Quantensimulatoren berechnet werden und sind konkurrierenden Ordnungsparametern in vielen Bereichen überlegen. Die Anwendung auf den Toric Code offenbart, dass selbst beim absoluten Nullpunkt Deconfined Phasen existieren, die nicht topologisch sind. Des Weiteren wird eine neue Netzwerkarchitektur für neuronale Quantenzustände eingeführt, die ungefähre Symmetrien in das Netzwerk kodiert. Diese Netzwerkarchitektur wird verwendet, um die Phasendiagramme nicht-stoquastischer Varianten des Toric Codes zu berechnen. Zu guter Letzt werden symmetriegeschützte topologische Phasen vorgeschlagen, die auch bei einer endlichen Temperatur existieren.
Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEC), erfuhr das Feld der atomaren Quantengase eine rasante Entwicklung und stellt heute eines der spannendsten und interdisziplinärsten Feldern in der Atomphysik dar. Die Eigenschaften dieser Gase werden hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen bzw. Molekülen bestimmt, die in den bisher realisierten Kondensaten durch die Kontaktwechselwirkung dominiert wird. Theoretisches und experimentelles Interesse richtet sich seit kurzem auf weitere Wechselwirkungen in diesen entarteten Gasen. Insbesondere wurde die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol-Wechselwirkung in einem Quantengas, das aus in einem externen Feld ausgerichteten Dipolen besteht, theoretisch untersucht. Im Hinblick auf die Realisierung eines dipolaren atomaren Quantengases stellt Chrom dabei ein äußerst Erfolg versprechendes Element dar. Im Vergleich zu bisherigen BEC-Experimenten, in denen meist Alkali-Atome verwendet wurden, ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung um einen Faktor 36 größer und in seiner Stärke mit der Kontakt-Wechselwirkung vergleichbar. Ein wesentlich stärkeres Dipolmoment wird bei einem im elektrischen Feld ausgerichteten Cr-Rb-Molekül erwartet. In einem solchen Molekülgas wird die Wechselwirkung durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung dominiert. Zur Erzeugung solcher Quantengase wurde in dieser Arbeit ein neuer Aufbau konzipiert und realisiert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung ultrakalter, klassischer, bosonischer Cr-Gase, die zur Erzeugung eines dipolaren BECs dienen sollen. Ausgehend von einem lasergekühlten, magnetisch gespeicherten Cr-Ensemble wird in dieser Arbeit die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in diesem ultrakalten, dipolaren Gas experimentell studiert. Die theoretische Beschreibung durch die Streuung zweier Dipole führt dabei zu einem sehr allgemeinen Verständnis der Streuprozesse in dipolaren Gasen. In dieser Arbeit wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass bereits bei einem magnetischen Moment von sechs Bohrschen Magnetonen aufgrund von dipolaren Relaxationsstößen die Kondensation durch Evaporation der Cr-Atome in einer Magnetfalle nicht möglich ist. Die aus den Streuexperimenten gewonnenen Erkenntnisse bilden nun die Grundlage zur Entwicklung einer sehr aussichtsreichen Strategie. Dabei soll die Kondensation durch Verdampfungskühlen in einer optischen Falle im energetisch tiefsten Zustand der Dipole erfolgen, in dem keine Spinrelaxationsprozesse mehr möglich sind. Durch die Implementation dieses neuen Fallentyps für Cr wird somit eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einem BEC genommen. Obwohl es in dieser Arbeit noch nicht gelingt, die Atome in dieser Falle im energetische tiefsten Zustand zu polarisieren, können zwei Konzepte demonstriert werden, mit denen die Kondensation in diesem Fallentyp erreicht werden kann. Mit ersten Experimente an kombinierten Cr-Rb-Fallen wird in einem weiteren Teil dieser Arbeit ein neues Forschungsprojekt begonnen mit dem Ziel, ein entartetes heteronukleares Molekülgas aus einem zweikomponentigen entarteten Quantengas zu erzeugen. Es werden erste Resultate zum simultanen Betrieb zweier magneto-optischer Fallen (MOT) und dem überlagerten Betrieb von Rb-MOT und Cr-Magnetfalle vorgestellt.
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.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Wechselwirkung zwischen extrem kalten Bosonen, die in einem optischem Gitter gehalten werden, auf des Streusignal eines Teilchens, welches als Sonde fungiert. Die Bosonen im Gitter werden durch das Bose-Hubbard-Modell beschrieben. Ausgangspunkt für unsere Untersuchungen ist ein allgemeiner Ausdruck für den Streuquerschnitt des Teilchens, der für beliebige Wechselwirkungsstärken gültig ist. Generell erfordert die Bestimmung der Streueigenschaften die numerische Diagonalisierung des Hamilton- Operators, welcher die Bosonen beschreibt. Um eine analytische Beschreibung des Problems zu erhalten, machen wir von verschiedenen Näherungen Gebrauch, die für unterschiedliche Stärken der Wechselwirkung gültig sind. Numerische Simulationen zeigen, daß sich die Wechselwirkungsstärke im inelastischen Streuquerschnitt offenbart, welcher mit zunehmender Wechselwirkungsenergie abnimmt. Im Regime schwacher Wechselwirkungen können die Bosonen im Gitter durch eine makroskopisch besetzte Wellenfunktion – dem sogenannten Kondensat – beschrieben werden, vorausgesetzt die Zahl der Bosonen, die sich nicht im Kondensat befinden, ist klein im Vergleich zu ihrer Gesamtzahl. In der Bogoliubov-Näherung wird der Hamilton-Operator der Bosonen im Gitter durch eine klassische Hamilton-Funktion ersetzt, und Quantenfluktuationen um das klassische Feld (welches das Kondensat beschreibt) werden als Störung betrachtet. Dies erlaubt die analytische Bestimmung des Streuquerschnitts, der aufgrund der Anregung von Dichtefluktuationen einen nichtverschwindenden inelastischen Anteil aufweist. Wir zeigen, daß dieser für kleine Werte der Wechselwirkung linear abnimmt. Dieser lineare Zerfall ist universell insofern, als seine Steigung unabhängig von der bosonischen Dichte und der Größe des Gitters ist. Im Falle starker repulsiver Wechselwirkungen wird ein Quantenphasenübergang der Bosonen von einem superfluiden in einen isolierenden Zustand erwartet. In diesem Regime lässt sich das System störungstheoretisch behandeln, wobei der Wechselwirkungsterm im Hamilton-Operator der Bosonen im Gitter als Operator des ungestörten Systems betrachtet wird, und die kinetische Energie in Form des quantenmechanischen Tunnelns der Teilchen als Störung. Große Wechselwirkungsstärken führen zu einer Unterdrückung von Dichtefluktuationen – aufgrund der Abstoßung, welche die Lokalisierung der Atome energetisch favorisiert – und damit zur Abnahme des inelastischen Streusignals. Wir leiten eine Näherung für den inelastischen Streuquerschnitt in niedrigster Ordnung in der Tunnelstärke her. Im Gegensatz zum schwach wechselwirkenden Regime zerfällt das Streusignal hier quadratisch als Funktion der Wechselwirkung. Insbesondere ist in dieser Ordnung der Näherung keine qualitative änderung des Zerfalls am erwarteten Punkt des Quantenphasenübergangs zu beobachten. Um die Genauigkeit unserer Näherungen zu prüfen und ihre Aussagekraft zu untermauern, führen wir in sämtlichen Fällen numerische Simulationen des exakten Streuproblems durch und vergleichen die erhaltenen Daten mit den Näherungsformeln. So können wir zeigen, daß die von uns hergeleitete analytische Beschreibung innerhalb der jeweiligen Grenzen ihrer Gültigkeit die numerisch erhaltenen Daten zu reproduzieren vermag. Entsprechend diskutieren und erläutern wir Abweichungen, die auftreten, wenn diese Grenzen überschritten werden.
Die kohärente Kontrolle von Quantenzuständen ist Gegenstand von Untersuchungen seitdem Quantensysteme in Laboren erzeugt werden. Die Aussicht, eines Tages einen Quantencomputer realisieren zu können, der Kohärenzeigenschaften von Quantensystemen nützt um die verfügbare Rechenleistung zu vervielfachen, ist dafür selbstverständlich eine wichtige Motivation, jedoch nicht die einzige. Präzise Kontrolle ermöglicht es, Systeme in bestimmten Quantenzuständen zu präparieren und zu manipulieren, etwa um Präzessionsmessungen zu realisieren. Ultrakalte Atome sind ein ideales Modellsystem für fortgeschrittene Kontrollschemata. Von ihrer Umgebung isoliert, verfügen sie über lange Kohärenzzeiten; gleichzeitig ist ihre Reaktion auf externe Anregungen im Vergleich zu anderen Systemen relativ einfach zu untersuchen. Außerdem können unterschiedliche Parameter über einen weiten Bereich abgestimmt werden, wie etwa die Dichte oder Wechselwirkungsstärke. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, ein Spektrum von Quantentheorien experimentell zu untersuchen. Kohärente Kontrolle von Quantenzuständen in Systemen aus ultrakalten Atomen ist deshalb ein reiches Forschungsgebiet, das sowohl für fundamentale Tests der Quantentheorie als auch für praktische Anwendungen vielversprechend ist. In dieser Dissertation wurde ein Schema entwickelt um Bewegungszustände eines Bose-Einstein Kondensates gezielt zu manipulieren. Dies geschieht auf eine Art die nicht nur die Kohärenzeigenschaften des Systems bewahrt, sondern auch schnell im Vergleich zur typischen Zeitskala des Systems ist. Experimentell umgesetzt wird dies in einem elongierten Kondensat auf einem Atomchip, welches ursprünglich im transversalen Grundzustand des Fallenpotentials ist. Das Kondensat wird entlang der transversalen Richtung verschoben um höhere Bewegungszustände anzuregen. Mithilfe der Theorie der optimalen Kontrolle wird die Verschiebung des Kondensats optimiert um bestimmte Bewegungszustände oder deren ü berlagerung zu erhalten. Die Optimierungen der 'Schüttelpulse' basieren auf einer Beschreibung des Kondensates in einer mean-field Näherung. Verschiedene Überlagerungen von Bewegungszuständen konnten sowohl theoretisch als auch experimentell in 1.1 ms mit einer Effizienz von mehr als 98 % erreicht werden. Diese Art der Kontrolle wurde angewandt um erstmals ein Interferometer mit Bewegungszuständen zu realisieren. Die beiden Pfade des Interferometers sind hier der Grundzustand und erste tranversal angeregte Zustand. In der Zeit zwischen den beiden optimierten Bewegungspulsen die als Strahlteiler dienen, wird eine Phase akkumuliert. Die Herausforderung bei diesem Schema besteht darin, einen effizienten Puls für alle Phasen zu finden. Das Interferometer wurde numerisch optimiert und erfolgreich experimentell umgesetzt und lieferte einen Kontrast von 92 %. Die so erzeugten ü berlagerungen von Bewegungszuständen sind nicht stabil und es wurde eine Dämpfung auf einer Zeitskala von 10 ms beobachtet. Um ein besseres Verständnis zu erlangen wurden einige Dämpfungsmechanismen in Betracht gezogen und theoretische Modelle entwickelt. Insbesondere werden Dekohärenz und Dephasierung entlang der axialen Richtung des Kondensates untersucht. Ein transversales Vielteilchen- Modell, das drei Bewegungszustände beinhaltet, wurde entwickelt um daraus die Zeitskalen der Dämpfung sowie die Abhängigkeit von Parametern wie Atomzahl und Temperatur abzuleiten und mit den experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse demonstrieren schnelle und effiziente Kontrolle über Vibrationszustände und ebnen den Weg für praktische Anwendungen, wie etwa ein Interferometer mit Bewegungszuständen. Außerdem eröffnen sie eine neue Richtung für fundamentale Fragestellungen zur Nichtgleichgewichtsphysik in geschlossenen Systemen.