Exploring Dissipative and Coherent Spin Dynamics with Superradiant Quantum Gases

Abstract

Experiments integrating ultracold quantum gases and optical cavities provide a versatile platform for exploring emergent collective phenomena, ranging from symmetry-breaking phase transitions to out-of-equilibrium many-body dynamics. In this thesis, we report on a series of experiments employing a Rb-87 Bose-Einstein condensate (BEC) coupled to a high-finesse optical cavity, with the goal of investigating photon-mediated dissipative and coherent spin dynamics. In the dispersive regime of atom-light interactions, we engineer cavity-assisted Raman transitions that couple specific internal and external modes of a degenerate quantum gas. This gives rise to superradiant Raman scattering of cavity photons, a process that is collectively enhanced by the number of participating atoms. In a first project, we couple two internal and external modes to realize an extended Dicke model with tunable coherent and dissipative interactions. The system undergoes a superradiant phase transition featuring spin-changing self-organization of the atoms. We experimentally access a dissipation-stabilized phase and a discontinuous superradiant transition in an extended region of phase bistability. The underlying mechanism is a collective decay of the hybrid light-matter excitations, which we resolve in real time by probing the cavity spectrum. In a second set of experiments, we engineer dynamical tunneling in a synthetic lattice in momentum space. Collective hopping between discrete momentum modes of a two-component BEC is implemented via superradiant Raman scattering, resulting in directional lattice dynamics due to the inherent cavity losses. By performing frequency-resolved measurements of the leaking cavity field, we resolve the individual tunneling events both in real time and non-destructively. We further extend our observations to a regime exhibiting mutually stimulating hopping cascades. In a third project, we demonstrate a mechanism for generating correlated atom pairs in well-defined spin and momentum modes. The pairs are created within tens of microseconds following the exchange of virtual cavity photons. We report on the first observation of coherent pair oscillations involving momentum modes, and achieve independent optical control of unitary pair processes and competing dissipative superradiant scattering. By characterizing the pair statistics and momentum-space correlations, we reveal beyond mean-field features and show their correlated nature. Our results demonstrate a comprehensive approach for studying photon-mediated magnetic phenomena in quantum gases. Extending the implemented cavity-assisted spin interactions to Hubbard systems can facilitate experimental access to strongly correlated magnetic phases, as proposed and theoretically investigated in a dedicated project. Finally, the observed pair mechanism paves the way for quantum-enhanced matter-wave interferometry and quantum simulation experiments beyond conventional solid-state systems.

Experimente, die ultrakalte Quantengase und optische Resonatoren integrieren, sind eine vielseitige Plattform zur Erforschung emergenter kollektiver Phänomene, die von Symmetrie-brechenden Phasenübergängen bis hin zur Vielteilchendynamik außerhalb des Gleichgewichts reichen. In dieser Arbeit berichten wir über eine Reihe von Experimenten, bei denen ein Rb-87 Bose-Einstein-Kondensat (BEC) an einen optischen Hochfinesse-Resonator gekoppelt wird, um Photonen-vermittelte dissipative und kohärente Spindynamik zu untersuchen. Im dispersiven Regime der Atom-Licht Wechselwirkungen erzeugen wir Resonator-vermittelte Raman-Übergängen, die spezifische interne und externe Moden eines entarteten Quantengases koppeln. Dies führt zu superradianter Raman-Streuung von Resonator-Photonen, ein Prozess, der kollektiv durch die Anzahl der beteiligten Atome verstärkt wird. In einem ersten Projekt koppeln wir zwei spezifische interne und externe Moden, um ein erweitertes Dicke-Modell mit einstellbaren kohärenten und dissipativen Wechselwirkungen zu realisieren. Das System durchläuft einen superradianten Phasenübergang, der eine Spin-verändernde Selbstorganisation der Atome aufweist. Wir beobachten eine dissipationsstabilisierte Phase und einen diskontinuierlichen superradianten Übergang in einem ausgedehnten Bereich der Phasen-Bistabilität. Der zugrunde liegende Mechanismus ist ein kollektiver Zerfall der hybriden Licht-Materie-Anregungen, den wir in Echtzeit durch die Untersuchung des Resonator-Spektrums messen. In einem zweiten Satz von Experimenten erzeugen wir dynamisches Tunneln in einem synthetischen Gitter im Impulsraum. Kollektives Tunneln zwischen diskreten Impulsmoden eines zweikomponentigen BEC wird durch superradiante Raman-Streuung implementiert, was zu gerichteter Gitterdynamik aufgrund der inhärenten Resonatorverluste führt. Durch frequenzaufgelöste Messungen des austretenden Resonatorfeldes lösen wir die einzelnen Tunnelereignisse, sowohl in Echtzeit als auch auf eine nicht-destruktive Weise, auf. Wir erweitern unsere Beobachtungen auf ein Regime, das gegenseitig stimulierende Tunnelkaskaden aufweist. In einem dritten Projekt demonstrieren wir einen Mechanismus zur Erzeugung korrelierter Atompaare in wohldefinierten Spin- und Impulsmoden. Die Paare werden innerhalb von wenigen Mikrosekunden durch den Austausch virtueller Resonatorphotonen erzeugt. Wir berichten über die ersten Beobachtungen kohärenter Paaroszillationen, die Impulsmoden einbeziehen, und erreichen eine unabhängige optische Kontrolle über konkurrierende unitäre Paarprozesse und dissipative superradiante Streuung. Durch die Charakterisierung der Paarstatistik und der Impulsraumkorrelationen zeigen wir über das Mean-Field hinausgehende Effekte auf und demonstrieren ihre korrelierte Natur. Unsere Ergebnisse zeigen eine umfassende Herangehensweise zur Untersuchung von Photonen-vermittelte magnetischen Phänomenen in Quantengasen. Die Erweiterung der implementierten Resonator-vermittelten Spin-Wechselwirkungen auf Hubbard Systeme kann experimentellen Zugang zu stark korrelierten magnetischen Phasen erleichtern, wie es in einem zusätzlichen Projekt vorgeschlagen und theoretisch untersucht wird. Schließlich ebnet der beobachtete Paarmechanismus den Weg für quantenverstärkte Interferometrie mit Materiewellen und Quantensimulationsexperimente, die über konventionelle Festkörpersysteme hinausgehen.