Publikation: Kohärente nichtlineare Materiewellendynamik - Helle atomare Solitonen
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The objective of this PhD thesis was the examination of the dynamical behaviour of coherent wave packets realised by Bose-Einstein condensates (BEC) out of 87Rubidium atoms. Their dynamics is mainly affected by linear dispersion due to momentum uncertainty and by nonlinear atomic interaction due to s-wave scattering. The primary objective was the realisation of bright atomic solitons, which represent density distributions with time-independent shape. They only exist if the effects of dispersion and nonlinearity cancel out each other. For 87Rb atoms with repulsive interaction this requires the dispersion of the ensemble to be anomalous. The dispersion of the wave packet can be influenced in sign and in magnitude by superimposing a periodic potential and by changing the quasi-momentum of the atoms.
For that purpose an apparatus to produce Bose-Einstein condesates as source of coherent matter waves was build up and characterised. The phase transition was observed as well in magnetic as in optical dipole traps. Experiments related to the dynamic of wave packets were conducted in a twodimensional optical trap retaining the atoms against gravity and allowing them to propagate along the axis of the trap. The periodic potential to influence the dispersion results from two counterpropagating interfering laser beams superimposed to the dipole trap.
A first set of experiments demonstrated the possibility to influence the linear dispersion of matter waves by changing the quasi-momentum of the atoms in a periodic potential. In particular wave packets with anomalous dispersion were prepared at the brillouin zone edge in quasi-momentum space. Their behaviour is equivalent to particles with a negative effective mass, which was be confirmed by reversing the time evolution of an expanding wave packet.
This demonstration of a negative effective mass of wave packets was an essential prerequisite for the creation of atomic solitons. Their formation was observed having prepared Bose-Einstein condensates of only 1000 atoms. A further set of systematic experiments was performed confirming the solitonic behaviour of the wave packets. This was the first realisation of atomic solitons with repulsive interaction also called Gap-Solitons.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der kohärenten Wellenpaketdynamik eines Bose-Einstein Kondensats (BEC) aus 87Rubidium Atomen. Diese wird durch die lineare Dispersion, auf Grund der endlichen Impulsbreite der Materiewelle, und durch die nichtlineare Wechselwirkung zwischen den Atomen durch s-Wellenstreuung bestimmt. Das
besondere Interesse bestand dabei an der experimentellen Erzeugung heller atomarer Solitonen. Diese entstehen falls sich die Effekte der Dispersion und der Nichtlinearität kompensieren. Es bildet sich eine lokalisierte Materiewelle mit zeitunabhängiger Dichteverteilung aus. In einem BEC mit repulsiver Wechselwirkung, wie es für 87Rb der Fall ist, erfordert dies eine anomale Dispersion des Ensembles. Die Dispersion der Wellenpakete kann sowohl in der Größe als auch im Vorzeichen geändert werden, indem man das BEC einem periodischen Potential kontrollierbarer Tiefe aussetzt und den Quasiimpuls gezielt verändert.
Dazu wurde zunächst eine Apparatur zur Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten aus 87Rb Atomen, als Quelle kohärenter Materiewellen, errichtet und charakterisiert. Der Phasenübergang zum Bose-Einstein Kondensat wurde sowohl in einer rein magnetischen Falle als auch in einer konservativen optischen Dipolfalle beobachtet. Die Experimente zur Untersuchung der Materiewellendynamik wurden in einer zweidimensionalen optischen Dipolfalle durchgeführt. Diese kann die Atome gegen die Gravitation halten, erlaubt aber gleichzeitig die freie Propagation entlang der Strahlachse. Das periodische Potential zur Beeinflussung der Dispersion entsteht durch Interferenz zweier gegenläufiger Laserstrahlen, die der Dipolfalle räumlich überlagert sind. Durch diese Kombination wurde es erstmals möglich, die freie Dynamik von Materiewellen in optischen Gittern direkt im Ortsraum für lange Zeiten zu beobachten.
In einer ersten Reihe von Experimenten wurde demonstriert, dass durch Variation des atomaren Quasiimpulses im periodischen Potential, die lineare Dispersion gezielt beeinflusst werden kann. Insbesondere erreicht man die, für helle atomare Solitonen notwendige, anomale Dispersion für Quasiimpulse im Bereich der Bandkante der Brillouinzone.
Dieses Verhalten, das demjenigen eines Teilchens mit negativer effektiver Masse entspricht, konnte durch Umkehr der zeitlichen Entwicklung eines Wellenpakets auf eindrückliche Weise nachgewiesen werden.
Die besprochene Demonstration der negativen Masse eines Wellenpakets, war die wesentliche Voraussetzung zur Erzeugung atomarer Solitonen. Deren Entstehung konnte beobachtet werden, nachdem es gelungen ist, Bose-Einstein Kondensate mit einer Teilchenzahl im Bereich von 1000 Atomen zu präparieren. Es handelt sich dabei um die ersten Solitonen für repulsiv wechselwirkende Atome, die auch Gap-Solitonen genannt werden. Es wurde eine Reihe von systematischen Messungen durchgeführt, die das solitonische Verhalten der Wellenpakete bestätigten.
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ISO 690
EIERMANN, Bernd, 2004. Kohärente nichtlineare Materiewellendynamik - Helle atomare Solitonen [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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