ISBN 978-3-8439-1362-1

978-3-8439-1362-1, Reihe Physik

Matthias Ölschläger
Ultrakalte Quantengase in höheren Bloch-Bändern optischer Gitterpotentiale

192 Seiten, Dissertation Universität Hamburg (2013), Softcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Der orbitale Freiheitsgrad spielt eine entscheidende Rolle für das Verständnis der Eigenschaften einer Vielzahl von physikalischen Systemen. Die Emulation von orbitalen Zuständen in optischen Gittern ist daher ein vielversprechender Baustein für das Studium quantenmechanischer Vielteilchenphänomene. Jedoch unterliegen bosonische Quantengase in höheren Bloch-Bändern im Allgemeinen einer schnellen Relaxationsdynamik, was die Umsetzung dieses Ansatzes erschwert.

In dieser Arbeit wird ein quadratisches optisches Gitterpotential mit einer dynamisch veränderbaren zweiatomigen Basis vorgestellt, das die Realisierung orbitaler optischer Gitter ermöglicht. Es eignet sich nicht nur für die gezielte Anregung in höhere Bänder, sondern reduziert gleichzeitig die dort bestehenden Zerfallskanäle. Unter dieser Voraussetzung können unkonventionelle suprafluide Zustände realisiert werden.

Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung einer wechselwirkungsinduzierten orbitalen Ordnung im zweiten Bloch-Band. Aus dem Wechselspiel der zweifachen Entartung des metastabilen Zustandes im zweiten Band mit der lokalen Stoßwechselwirkung zwischen den Bosonen folgt ein komplexwertiger Ordnungsparameter. Durch eine geeignete Veränderung des Gitterpotentials und der Wechselwirkungsenergie kann die komplexe Ordnung aufgebrochen werden und ein Phasenübergang zu einer gestreiften reellwertigen Wellenfunktion erfolgen. Die Beobachtungen im Experiment stehen im Einklang mit dem Phasendiagramm, das anhand einer Molekularfeldbetrachtung diskutiert wird.

Darüber hinaus wird mit Hilfe eines kohärenten Zustandes im vierten Band eine vermiedene Bandkreuzung untersucht, an der die Bänder zwei, drei und vier beteiligt sind. Wird das Kondensat adiabatisch durch die vermiedene Kreuzung geführt, dann können beschleunigte Bandrelaxationen beobachtet werden, und die Struktur des Zustandes verändert sich. Wird das Ensemble schnell durch die Kreuzung getrieben, kommt es zu kohärenten Landau-Zener-Übergängen, die für die Charakterisierung der Kreuzung eingesetzt werden können.