Non-equilibrium dynamics beyond dephasing: recurrences and loss induced cooling in one-dimensional Bose gases

Abstract

Die Nichtgleichgewichtsdynamik komplexer quantenmechanischer Vielteilchensysteme ist ein breites Forschungsfeld mit Relevanz für die unterschiedlichsten Gebiete der Physik. Eine der vielseitigsten experimentellen Plattformen in diesem Kontext sind ultrakalte Atome, da sie sich durch große Flexibilität und ihre einfache Isolierung von der Umwelt auszeichnen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Nichtgleichgewichtsdynamik eindimensionaler Bosegase, die durch ultrakalte 87Rb Atome auf einem Atom Chip realisiert werden. Mit dem Fokus auf Phänomenen die sich auf Zeitskalen länger als die typische Dephasierungszeit von Anregungen abspielen berichten wir über die Beobachtung von dynamischen Wiederkehreffekten sowie von der Entdeckung eines neuartigen Kühlmechanismus. Eine Wiederkehr, sprich die dynamische Rückkehr eines Systems zu seinem Anfangszustand, ist für große Systeme im Allgemeinen nicht beobachtbar, da die Komplexität des Spektrums ihr Auftreten erst nach enorm langen Zeitskalen erlaubt. In einem Paar homogener eindimensionaler Bosegase kann durch die Realisierung eines kommensurablen Spektrums jedoch die Zeitskala einer Wiederkehr der niedrigenergetischen Dynamik in den Bereich des experimentell Beobachtbaren gebracht werden. Um dies zu zeigen initialisieren wir zwei Gase durch Kopplung über eine Tunnelbarriere in einem phasenkohärenten Zustand um dann die Kopplung schlagartig auszuschalten. Die darauffolgende Dynamik wird über Materiewellen-Interferometrie gemessen, wodurch sich die relative Phase zwischen den Gasen bestimmen lässt. Nach einer anfänglichen Dephasierung beobachten wir eine mehrmalige Wiederkehr des kohärenten Anfangszustands aufgrund des Rephasierens der beteiligten Anregungen. Des Weiteren können wir aus der Dämpfung der Wiederkehr auf sonst schwer messbare Streueffekte zwischen den Anregungen schließen. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die Dynamik eindimensionaler Bosegase, welche einem kontinuierlichen Verlust an Teilchen ausgesetzt sind. Obwohl Thermalisierung in diesen Systemen stark unterdrückt ist und dadurch reguläres Kühlen durch Evaporation ineffektiv wird beobachten wir substantielle Kühleffekte. Für diese Kühlung ist ein neuartiger Mechanismus verantwortlich, für den weder ein energieselektives Auskoppeln von Teilchen, noch effiziente Thermalisierungsprozesse von Nöten sind. Stattdessen beruht der Kühleffekt auf der verlustbedingten Reduktion von Dichtefluktuationen sowie einer kontinuierlichen Dephasierung der beteiligten Anregungen. Für Experimente mit eindimensionalen Bosegasen füllt dieser Mechanismus eine wichtige Lücke im Verständnis der Zustandspräparation sowie der Limitierungen von Kühlprozessen.

Out-of-equilibrium dynamics in complex quantum many-body systems is a vast topic of research touching many different areas of physics. One of the most versatile experimental platforms to investigate these effects are ultracold atoms, due to their flexibility and easy isolation from the environment. In this thesis, we investigate non-equilibrium dynamics of one-dimensional (1d) Bose gases realized with ultracold 87Rb atoms on an atom chip. Focusing on phenomena emerging on timescales beyond the typical dephasing times of excitations, we report on the observation of recurrences and the finding of a novel cooling mechanisms. A recurrence, the dynamic return of a system to its initial state, can generally not be observed in large systems as the complexity of their excitation spectra shifts its appearance to prohibitively long times. Yet, by realizing a commensurate spectrum in a pair of near-homogeneous 1d Bose gases, recurrences in their low-energy dynamics can be observed on experimentally accessible timescales. We demonstrate this by initializing two gases in a phase coherent state by coupling them through a tunneling barrier before suddenly ramping the coupling to zero. The subsequent dynamics is monitored by matter-wave interferometry, providing access to the relative phase field between the gases. After an initial dephasing dynamics we observe multiple recurrences of the coherent initial state due to a rephasing of the underlying excitations. Additionally, analyzing the damping of these recurrences we detect otherwise elusive scattering effects between excitations. Furthermore, we investigate the dynamics of a 1d Bose gas under a continuous loss of particles. With thermalization strongly inhibited in these systems standard evaporative cooling is rendered ineffective; yet, we still observe a substantial cooling effect. This cooling is driven by a novel mechanism that neither relies on an energy selective extraction of particles nor on efficient thermalization channels. Instead, it proceeds through a loss-induced reduction of density fluctuations and a continuous dephasing of the involved excitations. For experiments with 1d Bose gases, this mechanism fills an important gap in the understanding of the state preparation and the limits of cooling.