Gring, M. (2012). Prethermalization in an isolated many body system [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/161279
Quantum Mechanics; Bose-Einstein condensate; thermalization; prethermalization; Atom Chip; Interference; 1d Bose gas; Full Distribution Function; non-equilibrium; absorption imaging
en
Abstract:
Die Erlangung eines generellen Verständnisses der Relaxierungsdynamik von komplexen quantenmechanischen Nichtgleichgewichts-Vielteilchensystemen ist ein fundamentales Problem, das sich in vielen Bereichen der Physik stellt. Trotzdem sind experimentelle Beispiele von Nichtgleichgewichtssystemen, die gleichzeitig gut kontrollierbar und für detaillierte Studien geeignet sind, extrem selten. In der vorliegenden Arbeit wird ein solches Beispiel, in Form eines kohärent geteilten eindimensionalen (1d) Bosegases in einem Doppelmuldenpotenzial, genau untersucht. Eine zentrale Herausforderung, die sich generell in der Analyse von Nichtgleichgewichtssystemen stellt, ist die Charakterisierung der komplexen, zeitabhängigen Zustände des Systems.<br />In dieser Arbeit wird diese Aufgabe durch die Messung der Zeitabhängigkeit der vollständigen quantenmechanischen Verteilungsfunktion (VqV) der Materiewelleninterferenz zwischen den beiden Hälften des geteilten Systems gelöst. Die Dynamik der VqV offenbart dabei zwei deutlich verschiedene Regime der Relaxationsdynamik, die den Multimodencharakter von 1d Bosegasen direkt demonstrieren. Nach einer anfänglich sehr schnellen Zeitentwicklung legt die VqV zudem die Annäherung des Systems an einen quasi-gleichgewichts Zustand an den Tag, der jedoch nicht dem thermischen Gleichgewicht des Systems entspricht. Dieses überraschende Verhalten wird auch von einer kürzlich erschienenen theoretischen Arbeit vorhergesagt, die diese Beobachtung in einen viel größeren Kontext rückt und dieses Verhalten als ein Beispiel für Präthermalisierung klassifiziert. Präthermalisierung ist ein allgemeines Konzept aus relativistischer Quantenfeldtheorie und ist zurzeit Brennpunkt intensiver theoretischer Analysen. Dementsprechend wurde Präthermalisierung kürzlich für eine Reihe von quantenmechanischen Vielteilchensystemen vorhergesagt. Die hier präsentierte Arbeit stellt eine direkte experimentelle Beobachtung dieses Phänomens der Präthermalisierung dar.<br />
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Understanding the relaxation dynamics of complex non-equilibrium many-body quantum systems is a fundamental problem, arising in many areas of physics. However, experimental examples of non-equilibrium systems that are both controllable and suitable for detailed study are extremely rare. In this thesis one such example in the form of a coherently split one-dimensional (1d) ultra cold Bose gas in a double-well potential is studied in detail. Typical for the analysis of non-equilibrium systems, the key challenge in this study is the characterization of the complex transient states of the system. In the presented work this task is solved by employing measurements of the time evolution of the full quantum mechanical probability distribution functions (FDFs) of time-of-flight matter-wave interference patterns between the two halves of the split system. The dynamics of the FDFs reveal two distinct regimes of relaxation clearly demonstrating the multi-mode nature of 1d Bose gases. Moreover, after an initial rapid evolution, the FDFs exhibit the approach towards a thermal-like steady state of the system which however does not correspond to the true thermal equilibrium of the system.<br />This surprising behaviour is also predicted by a recent theoretical work which puts the observations in a much broader context and classifies them as an example of prethermalization. Prethermalization is a general concept from relativistic quantum field theory and is currently the subject of intense theoretical research. Accordingly prethermalized states were recently predicted for a series of other many-body quantum systems. The work presented in this thesis represents a direct experimental observation of this phenomenon of prethermalization.