Bloch-Oszillationen ultrakalter bosonischer Atome in höheren Bändern eines bipartiten optischen Gitters

Abstract

In dieser Arbeit werden Experimente mit ultrakalten bosonischen Atomen in einem bipartiten quadratischen optischen Gitter vorgestellt. Das Gitter weist die Besonderheit auf, dass die Potenzialtiefendifferenz benachbarter Gittertöpfe kontinuierlich verändert werden kann. Dies ermöglicht die Anregung von Atomen in höhere Bloch-Bänder des Gitters.

Wir nehmen die in den Energieminima höherer Bänder kondensierten Atome als Ausgangspunkt für die Demonstration von Bloch-Oszillationen. Es wird eine Kraft auf die Atome erzeugt, welche zu einer linearen Bewegung im zweidimensionalen Quasiimpulsraum führt. Wir untersuchen die Bloch-Oszillationen in verschiedenen Bändern für zwei grundlegende Richtungen der Kraft, wobei auch der Betrag der Kraft variiert wird. Für jede Messung werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten Band-Mapping-Bilder aufgenommen, so dass sich die Bewegung der Atome im Quasiimpulsraum verfolgen lässt. Wir zeigen, wie sich aus den Messdaten jeweils die Frequenz der Bloch-Oszillation bestimmen lässt. Die so ermittelten experimentellen Frequenzwerte werden mit den theoretischen, in einer Simulation berechneten Werten verglichen.

Wir wenden das Werkzeug des Transports von Atomen im Quasiimpulsraum an, um orbitale Physik in höheren Bändern des Gitters zu erforschen. Es wird eine neue Methode der Kondensation von Atomen im zweiten und im siebten Band präsentiert, bei der die Atome bereits vor der Anregung in das jeweilige Band zu einem der beiden X-Punkte transportiert werden. Zudem wird eine Josephson-ähnliche Oszillationsdynamik zwischen den Zuständen an den X-Punkten des zweiten Bandes beobachtet.

In this thesis, we present experiments with ultracold bosonic atoms in a bipartite square optical lattice. The lattice offers the possibility to continuously tune the difference in potential depth of neighbouring wells. This enables us to excite atoms into higher Bloch bands of the lattice.

Starting with atoms condensed at the energy minima of higher Bloch bands, we demonstrate Bloch oscillations in the bipartite lattice. A force is applied to the atoms, leading to a linear motion in the two-dimensional quasimomentum space.

We investigate the Bloch oscillations in certain bands for two general directions of the force, also varying the magnitude of the force. For each measurement bandmapping images at different times are recorded such that one can track the motion of the atoms in quasimomentum space. We show how to determine the frequency of the Bloch oscillations from the measured data. The experimentally obtained values for the frequency are then compared to the theoretical values one would expect from a simulation.

We make use of the tool of transporting atoms in quasimomentum space to explore orbital physics in higher bands. We show a new method to condense atoms in the second and seventh band, transporting the atoms to one of the two X-points before exciting them to the particular bands. Moreover, dynamics between the X-points in the second band resembling a Josephson oscillation is observed.