Non-equilibrium dynamics of one-dimensional Bose gases

Abstract

Die Nichtgleichgewichtsdynamik isolierter Vielteilchensysteme ist von großer Bedeutung in vielen Bereichen der Physik. Beispiele dafür finden sieh in der Dynamik des frühen Universums, in Kollisionsexperimenten mit schweren Ionen, aber auch in den Kohärenz- und Transporteigenschaften von Festkörpern. Die quantenmechanische Beschreibung dieser Dynamik ist jedoch auf allen diesen Energie- Längen- und Zeitskalen ein ungelöstes Problem. Die Herausforderung bei der Untersuchung derartiger Fragestellungen liegt darin, dass dafür Vielteilchensysteme benötigt werden, die sieh sowohl isolieren als auch gezielt manipulieren lassen. Diese Arbeit zeigt eine Reihe von Experimenten mit ultrakalten eindimensionalen Bosegasen. Diese Gase zeichnen sich dadurch aus, dass sie nahezu perfekt von der Umgebung isoliert und ihre Quantenzustände durch eine Vielzahl erprobter Techniken manipuliert und detektiert werden können. Dies macht sie zu einem idealen Modellsystem um Phänomene des Nichtgleichgewichts zu erforschen. In den vorgestellten Experimenten wird ein wohldefinierter Nichtgleichgewichtszustand erzeugt, indem ein einzelnes Gas kohärent in zwei Hälften aufgeteilt wird. Die Zeitentwicklung dieses Zustandes wird durch Materiewelleninterferenenz untersucht. Die daraus gewonnenen Resultate zeigen die Entstehung eines präthermalisierten Zustandes, der zwar bereits thermische Eigenschaften besitzt, sich aber dennoch signifikant vom thermischen Gleichgewicht unterscheidet. Zustände dieser Art waren zuvor für eine große Reihe von Systemen vorhergesagt worden konnten jedoch noch nie direkt beobachtet werden. Eine weitergehende Analyse zeigt, dass die thermischen Eigenschaften des präthermalisierten Zustandes lokal entstehen und sich anschließend in der Form eines Lichtkegels im System ausbreiten. Dies ist der erste experimentelle Beleg dafür, dass Relaxationsprozesse und die Ausbreitung von Korrelationen in Vielteilchensystemen untrennbar miteinander verbunden sind. Desweiteren lässt sich zeigen, dass der präthermalisierte Zustand durch ein verallgemeinertes Gibbs Ensemble beschrieben werden kann was die Bedeutung dieses Ensembles als eine Wichtige Erweiterung der statistischen Physik hervorhebt. Abschließend wird ein Experiment präsentiert, bei dem sich die beiden Hälften des Systems leicht in ihrer Atomzahl unterscheiden. Diese Situation führt zur Entstehung eines Nichtgleichgewichtszustandes, der für einen Beobachter nicht vom thermischen Gleichgewicht zu unterscheiden ist. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse unterstreichen das Potenzial eindimensionaler Bosegase zur Erforschung vielfältiger Nichtgleichgewichtsphänomene. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen damit einen Weg zu einem universellen Verständnis der Nichtgleichgewichtsdynamik isolierter Vielteilchensysteme.

Understanding the non-equilibrium dynamics of isolated quantum many-body systems is an open problem on vastly different energy, length, and time scales. Examples range from the dynamics of the early universe and heavy-ion collisions to the subtle coherence and transport properties in condensed matter physics. However, realizations of such quantum many-body systems, which are both well isolated from the environment and accessible to experimental study are scarce. This thesis presents a series of experiments with ultracold one-dimensional Bose gases. These gases combine a nearly perfect isolation from the environment with many well-established methods to manipulate and probe their quantum states. This makes them an ideal model system to explore the physics of quantum many body systems out of equilibrium. In the experiments, a well-defined non-equilibrium state is created by splitting a single one-dimensional gas coherently into two parts. The relaxation of this state is probed using matter-wave interferometry. The Observations reveal the emergence of a prethermalized steady state which differs strongly from thermal equilibrium. Such thermal-like states had previously been predicted for a large variety of systems, but never been observed directly. Studying the relaxation process in further detail shows that the thermal correlations of the prethermalized state emerge locally in their final form and propagate through the system in a light-cone-like evolution. This provides first experimental evidence for the local relaxation conjecture, which links relaxation processes in quantum many-body systems to the propagation of correlations. Furthermore, engineering the initial state of the evolution demonstrates that the prethermalized state is described by a generalized Gibbs ensemble, an observation which substantiates the importance of this ensemble as an extension of standard statistical mechanics. Finally, an experiment is presented, where pairs of gases with an atom number difference appear to have thermalized, while they still remain in a non-thermal state. The results presented in this thesis demonstrate both the wide range of phenomena that can occur in non-equilibrium quantum many-body systems, and the great potential of one-dimensional Bose gases to explore these phenomena. This paves the way for the further study of a universal framework for non-equilibrium dynamics.