Critical behavior of a trapped interacting Bose gas

Abstract

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde erstmals experimentell "das kritische Regime eines gefangenen, schwach wechselwirkenden Bosegases studiert. Charakteristisch für dieses Regime, das in unmittelbarer Nähe um den Phasenübergang zum Bose-Einstein Kondensat liegt, sind starke Fluktuationen des Ordnungsparameters. Bei Annäherung an die kritische Temperatur divergiert die Korrelationslänge dieser Fluktuationen. Um diese Divergenz zu untersuchen, nutzen wir die Interferenz von Materiewellen und messen die räumliche Korrelationsfunktion erster Ordnung in Abhängigkeit von der Temperatur. Zwei Atomstrahlen werden aus unterschiedlichen Regionen eines Gases von 87Rb Atomen ausgekoppelt und überlagert. Der Kontrast des resultierenden Interferenzmusters ist ein Maß für die Kohärenz der beiden Regionen. Um den Kontrast mit höchster Empfindlichkeit bestimmen zu können, setzen wir einen Resonator exzellenter Güte im stark koppelnden Regime ein, mit dem einzelne Atome im Interferenzmuster nachgewiesen werden können. Wir beobachten die Divergenz der Korrelationslänge und bestimmen den zugehörigen kritischen Exponenten der Korrelationslänge zu v = 0.67 ± 0.13. Wir präparieren ein Bosegas in einem Nichtgleichgewichtszustand, um das Wachstum langreichweitiger Ordnung am Phasenübergang zum BoseEinstein Kondensat zu erforschen. Während das Gas thermalisiert und den Phasenübergang überquert, bestimmen wir Kohärenz und Dichte des Gases in Echtzeit. Dabei zeigt sich, dass das Wachstum der Kohärenz später einsetzt und früher endet als das Wachstum der Dichte. Der Nachweis einzelner Atome in unserem Resonator stellt eine quantenmechanische Messung dar, bei der eine Materiewelle auf einen Zustand mit entweder einem oder keinem Atom im Resonator projiziert wird. Wir analysieren diesen Detektionsprozess, der auf der starken Kopplung einzelner Atome an das Lichtfeld des Resonators beruht. Die Transmission eines Lasers, der resonant mit dem leeren Resonator ist, wird stark reduziert, wenn bereits ein einzelnes Atom an das Lichtfeld koppelt. Mit dieser Methode demonstrieren wir ein Lehrbuchbeispiel des Welle-Teilchen-Dualismus: In Analogie zum Doppelspaltversuch nach Young lassen wir einzelne Atome mit sich selbst interferieren und weisen sie dann mit Hilfe des Resonators nach. Erstmals führen wir Experimente aus, in denen ein Bose-Einstein Kondensat kohärent mit dem Lichtfeld eines Resonators wechselwirkt. Mit Hilfe eines optischen Transportes können wir mehrere hunderttausend ultrakalte Atome in den Resonator transferieren, wo die Teilchen dann bis ins quantenentartete Regime gekühlt werden. Die neuartige Kombination von Bose Einstein Kondensat und Resonator im stark koppelnden Regime eröffnet ein neues Gebiet der Hohlraum-Quantenelektrodynamik, in dem alle Atome identisch an das Lichtfeld koppeln. Mit einer Messung des Anregungsspektrums charakterisieren wir das System.