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Titel: Bose-Einstein condensation in higher Bloch bands of the optical honeycomb lattice
Sprache: Englisch
Autor*in: Klafka, Tobias
GND-Schlagwörter: Quantenphysik; Bose-Einstein-Kondensation; Quantengas; Optisches Gitter <Quantenoptik>
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-08-20
Zusammenfassung: 
Ultracold quantum gases in optical lattices provide a versatile platform for quantum simulations of solid state models. Preparing higher Bloch bands of optical lattices enlarges immensely the possibilities for realizations of unconventional superfluids emerging from the interplay of orbital degrees of freedom and lattice geometries.
This thesis reports on the experimental realization of Bose-Einstein condensation in the second and fourth Bloch band of the optical 2D honeycomb lattice with 87Rb. Reaching higher bands is an intrinsic out-of-equilibrium process that requires the transfer of a significant amount of energy. For that purpose different transfer methods have been tested. A Landau-Zener transfer has been realized by a rapid quench of the energy offset between the two sublattices of the honeycomb lattice.
The condensation dynamics in higher bands is intriguing due to the different geometries of the excited bands. The preparation of a many body wave packet is especially interesting at the maximum of a band, where the initial dynamical evolution is dominated by interactions between the atoms. Consequently, the observed time scales for the condensation and subsequent loss of coherence depend crucially on the collision rates. At the optimal parameters, the loss of coherence is followed by band relaxation to the ground state on a longer time scale. The parameter space in the second and in the fourth Bloch band is explored for optimal condensation. The experimental results contribute to the engineering of unconventional superfluids with interaction-induced topological ordering.
Furthermore, three major upgrades were realized in the course of this PhD project. First, a L-enhanced gray molasses cooling was implemented reaching a temperature of 5.3(4) μK and shortening the experimental cycle by 10 s. Second, a new intensity control for the optical honeycomb lattice with a bandwidth of 150 kHz was realized to investigate higher Bloch bands. Third, an active magnetic field compensation for quantum gas experiments was implemented. Using an anisotropic magnetoresistive sensor (AMR) in combination with an analogue control loop stabilized the magneticfield to 100μG from DC up to frequencies of 3 kHz. Ramsey spectroscopy demonstrated a reduction of magnetic field fluctuations down to s = 130 μG. This technique will prove valuable for future experiments such as the realization of spinorbit coupling involving the atomic internal degree of freedom.

Ultrakalte Quantengase in optischen Gittern bieten eine vielseitige Plattform für Quantensimulationen von Festkörpermodellen. Die Präparation von höheren Blochbändern in optischen Gittern vergrößert beträchtlich die Möglichkeiten zur Realisierung von unkonventionellen suprafluiden Zuständen, die durch das Zusammenspiel von orbitalen Freiheitsgraden und der Gittergeometrien entstehen.
Diese Arbeit widmet sich der experimentellen Realisierung von Bose-Einstein Kondensation im zweiten und vierten Blochband des optischen 2D-Honigwabengitters mit 87Rb. Das Erreichen von höheren Bändern ist ein intrinsischer Nichtgleichgewichtsprozess, der einen signifikanten Energietransfer benötigt. Für diesen Transfer wurden verschiedene Methoden getestet. Ein Landau-Zener Transfer wurde durch eine schnelle Veränderung der Energiedifferenz zwischen den beiden Subgittern des Honigwabengitters realisiert. Die Kondensationsdynamik in höheren Blochbändern ist aufgrund der unterschiedlichen Bandgeometrien faszinierend. Besonders interessant ist die Präparation eines Vielteilchenwellenpaketes am Maximum eines Bandes, wo die anfängliche dynamische Entwicklung durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen dominiert wird. Folglich sind die beobachteten Zeitskalen für die Kondensation als auch für den nachfolgenden Verlust der Kohärenz entschieden von den Kollisionsraten abhängig. Auf den Verlust der Kohärenz folgt die Bandrelaxation in den Grundzustand, die bei den optimalen Parametern über einen längeren Zeitraum stattfindet.
Der Parameterraum im zweiten und vierten Band wird auf optimale Kondensation durch die Kontrolle der Bandstruktur untersucht. Die experimentellen Ergebnisse tragen zur Erforschung von unkonventionellen suprafluiden Zuständen mit wechselwirkungsinduzierten topologischen Ordnungen bei.
Darüber hinaus wurden im Rahmen dieses Dissertationsprojektes drei wichtige Verbesserungen am Experiment realisiert. Erstens wurde eine L-verstärkte Graue-Melassen-Kühlung implementiert, mit der eine Temperatur von 5.3(4) μK und eine Verkürzung des experimentellen Zyklus um 10 s erreicht wurde. Zweitens wurde
eine neue Intensitätsregelung für das optische Gitter mit einer Bandbreite von 150 kHz zur Untersuchung von höheren Blochbändern realisiert. Drittens wurde eine aktive Magnetfeldkompensation für Quantengasexperimente implementiert.
Die Verwendung eines anisotropen magnetoresistiven Sensors (AMR) in Kombination mit einer analogen Regelung konnte das Magnetfeld auf 100μG von DC bis zu Frequenzen von 3 kHz stabilisieren. Mit Ramsey Spektroskopie konnte eine Reduktion der Magnetfeldfluktuationen auf bis zu s = 130μG gezeigt werden. Diese Technik ist für zukünftige Experimente, wie die Realisierung von Spin Orbit Kopplung unter Einbeziehung des atomaren internen Freiheitsgrades, wertvoll.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9180
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-94874
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Sengstock, Klaus
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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