FAQ
© 2015 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-34281
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3428/


Coherent Dynamics of Spinor Bose-Einstein Condensates

Kohärente Dynamik von Spinor Bose-Einstein-Kondensaten

Kronjäger, Jochen

Originalveröffentlichung: (2007) J. Kronjäger, C. Becker, P. Navez, K. Bongs and K. Sengstock, Magnetically tunedspin dynamics resonance, Phys. Rev. Lett. 97 110404 (2006); J. Kronjäger, C. Becker, M. Brinkmann, R. Walser, P. Navez, K. Bongs and K.Sengstock. Evolution of a spinor condensate: Coherent dynamics, dephasing, andrevivals, Phys. Rev. A 72, 063619 (2005);
pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (23.891 KB) 


SWD-Schlagwörter: Bose-Einstein-Kondensation , Spinor , Spindynamik , Mean-Field-Theorie , Rubidium-87 , Magnetismus
Freie Schlagwörter (Englisch): Bose-Einstein condensation , spinor , spin dynamics , magnetism , mean-field theory
Basisklassifikation: 33.60 , 33.38
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Sengstock, Klaus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.06.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 01.10.2007
Kurzfassung auf Englisch: Since the realization of Bose-Einstein condensation in alkali gases in 1995, Bose-Einstein condensates
(BEC) have developed into a versatile subject of research. A particularly intriguing variant,
extending the extraordinary properties of BEC as quantum gases to the spin as a degree of freedom,
are spinor BEC in optical traps. Spinor BEC allow the study of magnetism in quantum gases,
merging these two fascinating branches of physics. After the pioneering experiments in 1998, the
past few years have seen a remarkable burst of activity on the topic of spinor BEC. In this context,
the present thesis constitutes a significant contribution to the current understanding of spinor BEC
physics.
The present thesis deals with the coherent dynamics of spinor condensates, and with the
mechanisms leading to decoherence and damping. Building on a highly optimized apparatus for the
production of large spinor BEC in an optical trap, experimental methods used for the preparation
and manipulation of the spin state and the control of environmental parameters had to be developed
and sophisticated. Parallel to the experimental aspects, a better understanding of spinor BEC
dynamics, including mathematical modeling and intuitive pictures, had to be developed.
The techniques of radio-frequency induced Rabi and Ramsey oscillations have been generalized
to spin-1 and spin-2 systems and, applied to spinor BEC, provide insight into the mechanisms and
time scales of decoherence. Inherent spin-mixing dynamics is studied using a particular initial
state, a fully transversely magnetized state, which combines ease of preparation and sensitivity to
interaction effects.
As a central result of this thesis, a fundamental resonance phenomenon in the spin-mixing
dynamics of both ferromagnetic and anti-ferromagnetic spinor BEC is demonstrated for the first
time. This resonance is a result of competition between the quadratic Zeeman effect and the spindependent
interaction energy, and is analogous to nonlinear phase-matching in optical four-wave
mixing.
The single-mode approximation (SMA), neglecting any spatial variations of the spin state, is
shown to reproduce the experimentally observed population dynamics in great detail. However,
its validity is limited by thermalization processes and spatial structure formation – both of these
effects are analyzed in detail. In the context of the present thesis, analytical solutions of the SMA
equations of spin dynamics could be obtained for the first time.
The particularly intriguing phenomenon of spatial structure formation is further studied with
spin-2 BEC in a single-beam optical trap providing a 1D geometry. Beautiful, almost regular
spin patterns are observed to emerge from a homogeneous initial state and to decay into chaos.
Spontaneous pattern formation due to a dynamical instability as well as residual magnetic field
gradients are discussed as the origin of the observed structure.
The experimental observation of structure formation is complemented by a numerical analysis
of the single-mode dynamics of spin-2 BEC, uncovering clear evidence of deterministic chaos in
this nonlinear complex system.
Moreover, the present work introduces experimental tools that will be useful for future studies.
A Raman laser system allows to manipulate the spin state of a BEC locally, e.g. in order to
prepare solitons. Using spatially incoherent light and short pulses is discussed as a way of avoiding
interference fringes in absorption imaging of condensates. Alternatively or additionally, absorption
images may be post-processed on a computer to eliminate fringes.

The greatly improved understanding of single-mode spinor dynamics, to which the work at hand
has significantly contributed, provides a firm basis for tackling the intriguing questions raised by
current and future research on spinor BEC.
Kurzfassung auf Deutsch: Seit der Realisierung von Bose-Einstein Kondensaten in Alkaligasen im Jahr 1995 haben diese sich
zu vielseitigen Forschungsobjekten entwickelt. Ein besonders faszinierender Zweig sind Spinor-
Kondensate in optischen Fallen, die die außergewöhnlichen Quantengas-Eigenschaften von Bose-
Einstein Kondensaten auf den Spin als Freiheitsgrad ausdehnen. Spinor-Kondensate ermöglichen
es, Magnetismus in Quantengasen zu erforschen, und verbinden so diese zwei ausgesprochen fruchtbaren
Gebiete der Physik. Seit den ersten grundlegenden Experimenten 1998 ist das Gebiet erst in
den letzten Jahren in bemerkenswerter Weise wieder aufgelebt. In diesem Zusammenhang leistet
die vorliegende Arbeit einen bedeutenden Beitrag zum gegenwärtigen Verständnis der Physik der
Spinor-Kondensate.
Die vorliegende Arbeit behandelt kohärente Dynamik in Spinor-Kondensaten und ihre Grenzen,
Dekohärenz und Dämpfung. Aufbauend auf einer hochentwickelten Apparatur zur Erzeugung
großer Spinor-Kondensate in einer optischen Falle, wurden experimentelle Methoden zur
Präparation und Manipulation des Spinzustands sowie zur Kontrolle der Umgebungsparameter entwickelt
und verfeinert. Neben den technischen Aspekten wurde insbesondere auch das Verständnis
der Spindynamik, deren mathematische Beschreibung ebenso wie intuitive Vorstellungen, erheblich
weiterentwickelt.
Als ein wichtiger Punkt wurde die Methode der Rabi- und Ramsey-Oszillationen mittels Anregung
durch hochfrequenteMagnetfelder auf Spin-1 und Spin-2 Systeme verallgmeinert. Angewendet
auf Spinor-Kondensate ergeben sich daraus Rückschlüsse auf Dekohärenzmechanismen und deren
Zeitskalen. Inhärente Spindynamik wurde anhand eines besonderen, vollständig transversal magnetisierten
Anfangszustands untersucht, der robust in der Präparation ist und empfindlich auf
Wechselwirkungseffekte reagiert.
Ein zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist die erstmalige Beobachtung einer Spindynamik-
Resonanz sowohl in ferro- als auch in antiferromagnetischen Kondensaten. Die Resonanz
kann auf die Konkurrenz von quadratischem Zeeman-Effekt und spinabhängiger Wechselwirkung
zurückgeführt werden; sie ist äquivalent zu nichtlinearer Phasenanpassung bei optischem Vierwellenmischen.
Weiterhin wurde gezeigt, dass die Einmoden-Näherung, obwohl sie jegliche räumliche Abhängigkeit des Spins vernachlässigt, die experimentellen Ergebnisse detailliert wiederspiegelt. Ihre
Gültigkeit ist jedoch durch Thermalisierung und räumliche Strukturbildung begrenzt, und beide
Prozesse werden umfassend analysiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten erstmals auch analytische
Lösungen der Spindynamik in Einmoden-Näherung gefunden werden.
Das besonders interessante Phänomen der räumlichen Strukturbildung wird anhand von Spin-2
Kondensaten in einer eindimensionalen optische Falle weiter untersucht. Die entstehenden beinahe
regelmäßigen Spin-Muster sind ästhetisch faszinierend, und zerfallen in chaotische Strukturen. Als
Ursachen der Strukturbildung werden spontane Musterbildung infolge einer dynamischen Instabilität sowie Rest-Inhomogenitäten im Magnetfeld diskutiert.
Der experimentelle Befund der Strukturbildung wird durch eine numerische Analyse der Einmoden-
Spindynamik in Spin-2 Kondensaten ergänzt, die eindeutige Anzeichen fär deterministisches
Chaos in diesem nichtlinearen komplexen System ergibt.
Darüberhinaus werden in dieser Arbeit experimentelle Techniken vorgestellt, die in zukünftigen
Untersuchungen zum Einsatz kommen werden. Ein Raman-Lasersystem ermöglicht die lokale Manipulation
des Spinzustands eines ausgedehnten Kondensats, beispielsweise um Solitonen zu präparieren.
Die Nutzung von räumlich inkohärentem Licht und kurzen Pulsen zur interferenzfreien
Abbildung von Bose-Einstein Kondensaten wird diskutiert; alternativ oder ergänzend dazu besteht
die Möglichkeit, Absorptionsbilder rechnerisch zu verarbeiten, um Interferenzen zu eliminieren.

Das heute bedeutend weiter entwickelte Verständnis der Einmoden-Spindynamik, zu dem die vorliegende
Arbeit einen wesentlichen Beitrag liefert, stellt eine gute Grundlage dar um die faszinierenden
Fragen aktueller und zukünftiger Forschung an Spinor-kondensaten anzugehen.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende