Manz, S. (2010). Density correlations of expanding one-dimensional Bose gases [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/161407
Bose Gase in stark elongierten Fallenpotentialen weisen einzigartige quantenmechanische Eigenschaften und Phasen auf, die mit ihrem eindimensionalen Charakter und der damit verbundenen Physik verknüpft sind. Sie bilden außerdem eines der wenigen komplexen Vielteilchensysteme, die direkt mit exakten und oft auch analytischen theoretischen Beschreibungen verglichen werden können. Der kontinuierliche Übergang von einem vollständig dekohärenten thermischem Gas zu einem dem Bose-Einstein Kondensat ähnlichem System ist von einem Zwischenzustand, dem Quasikondensat, bestimmt. In einem Quasikondensat sind Dichtefluktuationen unterdrückt, axiale Anregungen jedoch sind thermisch besetzt. Das Gas weist daher eindimensionale Phasenfluktuationen entlang seiner axialen Richtung auf, welche die Kohärenz im System bestimmen.<br />Atomchips erlauben es, solche ein-dimensionalen (1D) Gase in miniaturisierten Magnetfallen zu erzeugen und zu studieren. In statischen Fallen können atomare Ensembles bis zum entarteten Quantengas hin gekühlt werden. Zusätzlich können Werkzeuge zur Manipulation von Materiewellen, wie etwa Strahlteiler, umgesetzt werden, indem statische und oszillierende Magnetfelder kombiniert werden. Typischerweise ergibt sich bei statischen Fallen auf einem Atomchip eine eindimensionale Geometrie, die einen direkten Einblick in die Physik ultrakalter 1D Bose Gase erlaubt.<br />Diese Dissertation beschreibt die experimentelle Umsetztung eindimensionaler Bose Gase in statischen Magnetfallen auf einem Atomchip. Das zentrale Augenmerk liegt dabei auf der Messung von Dichtekorrelationen in Expansion, welche über die Kohärenz im gefangenen System Aufschluss geben. Vergleichbar mit Hanbury-Brown-Twiss Korrelationen, erlaubt diese Methode Kohärenzeigenschaften zu studieren und Rückschlüsse auf die Phase des gefangenen Ensembles zu ziehen. Dabei wird eine neue Methode zur Temperaturmessung von ultrakalten Quantengasen vorgestellt. Die Arbeit gibt außerdem einen Ausblick auf zukünftige Experimente mit Nichtgleichgewichtssystemen.<br />
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Interacting Bose gases confined in strongly elongated traps exhibit unique properties and quantum phases related to the one-dimensional character of the underlying physics. They also represent one of the few complex many-body systems which allow a direct comparison with exact and often analytical theoretical description. For such gases, the smooth transition from a fully decoherent system to a finite size Bose-Einstein condensate is characterized by an intermediate quasi-condensate regime where density fluctuations are suppressed, whereas axial phonon-like excitations are thermally populated. As a result the gas displays 1D phase fluctuations along its axial direction, strongly affecting its coherence properties.<br />Atomchips allow studying ultra-cold atoms in miniaturized magnetic traps. In static traps atoms can be cooled to quantum degeneracy to create Bose- Einstein condensates. In addition, atom optical elements for matter wave manipulation, e.g. beam splitters, can be implemented by combining static and oscillating magnetic fields. The typical elongated geometry of wire traps on an atom chip can provide direct access to ultra-cold one-dimensional systems. The possibilities of preparing such one-dimensional systems in static magnetic traps with our set-up will be discussed.<br />Within this thesis, these different regimes of one-dimensional Bose gases will be probed. As a measure of the coherence of the trapped system, density correlations in expansion will be employed. This method is related to Hanbury-Brown & Twiss - like experiments, and allows studying the coherence properties of the trapped cold quantum gases. The applicability of this method in terms of thermometry will be discussed.<br />Furthermore, we examine the one-dimensional Bose gases out of equilibrium.