Title: Thermalization and Prethermalization in an ultracold Bose Gas
Other Titles: Thermalisierung und Präthermalisierung in einem ultrakalten Bosegas
Language: English
Authors: Kuhnert, Maximilian 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Atomchip; Ultrakaltes Atom; Bose-Gas; Thermometrie
Advisor: Schmiedmayer, Hannes-Jörg 
Issue Date: 2013
Number of Pages: 183
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Sogenannte Atom Chips bestehen aus mikroskopisch kleinen, stromführenden Strukturen, die magnetischen Fangpotentiale für ultrakalte, neutrale Atomen erzeugen. Diese Atom Chips bieten eine hohe Flexibilität der möglichen Fallen-Geometrien, die die Erzeugung von stark anisotropen, effektiv eindimensionalen Fangpotentialen ermöglichen. Die resultierenden magnetischen Fallen zeichnen sich durch eine hohe Isolation von der Umwelt aus und werden verwendet um entartete, eindimensionale (1d) Bose Gase experimentell zu realisieren. Auf typischen experimentellen Zeitskalen können diese integrablen Systeme als praktisch abgeschlossene Quanten-Vielteilchensystemen beschrieben werden. Durch einen schnellen -Quantum-Quench- wird das Vielteilchensystem aus dem thermischen Gleichgewicht gebracht und die daraus resultierende Dynamik mittels Materiewellen-Interferenz untersucht. Die beobachtbare Dynamik zeigt, dass Thermalisierung dieses 1d Bose Gases in einem zweistufigen Verfahren geschieht. Zuerst dephasiert das System in einen präthermalisierten Zustand, der zwar durch thermische Eigenschaften kennzeichnet ist, aber immer noch deutlich von dem wahren thermischen Gleichgewichtszustand abweicht. Erst auf einer zweiten, viel längeren Zeitskala bringen Zwei-Körper-Streuprozesse das System in den wahren thermischen Gleichgewichtszustand. Diese Arbeit beschreibt den zur Erzeugung entarteter 1d Bose Gase verwendeten Versuchsaufbau, fasst die verwendeten Thermometrie Methoden zusammen und diskutiert ausführlich die erste direkte experimentelle Beobachtung von Präthermalisierung in einem multimodalen System. Weiters wird die Entwicklung des Nicht-Gleichgewichts-Systems auf langen Zeitskalen ausführlich untersucht. Die experimentellen Beobachtungen zeigen Anzeichen einer vollständigen Relaxierung in den thermischen Gleichgewichtszustand. Ein Vergleich der gemessenen Thermalisierungsraten mit existierenden Relaxationsmodellen zeigt dass Zweikörper Stösse den treibende Mechanismus im 1d/3d Übergangsregime darstellen. Das Studium eines Nicht-Gleichgewichts-Systems mittels Materiewellen-Interferometrie ermöglicht eine direkte Beobachtung der durch Multimoden Dynamik charakterisierten eindimensionalen Quantensysteme und führt langfristig zu einem besseren Verständnis der stattfindenden Thermalisierungsprozesse in integrablen Quanten-Systemen in 1d und im 1d/3d Übergangsregime.

Atom chips consist of microscopic current carrying structures that generate magnetic trapping potentials for ultracold neutral atoms. These atom chips provide a high design flexibility of possible trap geometries, making the creation of highly anisotropic trapping potentials feasible. The resulting magnetic traps are characterized by a high isolation from the environment and are used to create degenerate, one-dimensional (1d) Bose gases. On typical experimental time scales, these 1d Bose gases can be described as practically closed quantum many-body systems. By applying a rapid quantum quench, the many-body system is brought out of thermal equilibrium and the resulting dynamics are studied via the statistical properties of matter-wave interference measurements. These measured quantum statistical distributions reveal that thermalization of this effectively integrable 1d Bose gas happens in a two-step process. First, the system rapidly dephases to a prethermalized state, characterized by thermal-like correlation properties, which are still distinctly different from the true thermal equilibrium state. Second, on a much longer time scale, the measured distribution functions indicate a further decay to the true thermal equilibrium state. Furthermore, by studying a highly non-equilibrium system via matter-wave interferometry, the underlying multimode dynamics, characterizing one-dimensional quantum systems, are revealed. This thesis shows that these dynamics are essential in establishing the prethermalized state and that its properties are defined by the quantum shot noise of the splitting process. In particular, this thesis discusses the experimental setup used to obtain degenerate 1d Bose gases, summarizes thermometry methods applied throughout this work and reports the first direct experimental observation of prethermalization in a multimode system, generated by a fast, phase-coherent splitting of a 1d Bose gas into a symmetric double-well potential. Finally, the long-time evolution of the non-equilibrium system is studied in detail in the 1d/3d crossover regime, strongly indicating a complete relaxation into the thermal equilibrium state. This work confirms that the observed relaxation time scales can be attributed to two-body thermalizing collisions, lifting the integrability of the system. In conclusion, this work aims at improving the understanding of quantum thermalization processes in integrable and nearly-integrable systems in the 1d and 1d/3d crossover regimes. Apparently, the general paths to thermal equilibrium in nearly-integrable systems are indirect and complex. This work provides an in depth experimental study of the relaxation dynamics of a highly non-equilibrium system, thereby addressing fundamental questions of ergodicity and thermalization in the context of nearly-integrable quantum systems.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-94593
http://hdl.handle.net/20.500.12708/4226
Library ID: AC11181111
Organisation: E141 - Atominstitut 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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