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Hild, Sebastian (2016): Microscopy of quantum many-body systems out of equilibrium. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Quantensimulatoren können die Grenzen von analytischen und numerischen Methoden überwinden und detaillierte Informationen über stark korrelierte Vielteilchensysteme liefern. Für die experimentelle Erforschung komplexer Problemstellungen bieten Quantengase vielfältige Möglichkeiten und profitieren von der herausragenden Isolation von externen Störungen. Diese Promotionsarbeit befasst sich mit dem experimentellen Studium von Quantensystemen, die kontrolliert aus dem Gleichgewicht gebracht werden. Mit Einzelplatz aufgelöster Abbildung von bosonischen Rubidium Atomen in optischen Gittern wird die zeitliche Entwicklung festgehalten. Quantenmagnetismus ist der erste behandelte Schwerpunkt in dieser Arbeit. Zuerst zeigen wir, dass im Regime von starker Wechselwirkung,in welchem sich ein Mott Isolator bildet, ein zwei komponentiges Gas exzellent das Heisenberg Model simuliert. Hierzu vermessen wir die kohärente Ausbreitung eines Magnons mit der spinselektiven Abbildung nach einer lokalen Anregung eines einzelnen Spins. Spinprojektionen auf die $z$-Achse und den Äquator der Bloch-Kugel belegen die Entstehung und Propagation von verschränkten Zuständen. Detaillierte Informationen werden in diesem Experiment durch eine neu entwickelte Abbildung gewonnen, welche an Stern-Gerlach Messungen angelehnt ist. Bei der Anregung zweier benachbarter Spins wird des Weiteren die Entstehung gebundener Zustände beobachtet und deren Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie Zerfallszeit charakterisiert. In weiterführenden Messungen erzeugen wir hochangeregte Spiralzustände, die in einen homogenen Gleichgewichtszustand zerfallen und keine kohärente Zeitentwicklung aufweisen. Die Geschwindigkeit der beobachteten Zerfälle ist abhängig von der Windungsstärke und weist in eindimensionalen Systemen auf ein diffusives Verhalten hin. Im Gegensatz dazu deuten die Ergebnisse in zweidimensionalen Systemen auf ein sub-diffusive Propagation hin. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit behandelt die Thermalisierung von hoch angeregten Systemen. Wir ermitteln wie stark eine zusätzlich eingestrahlte computergenerierte zufällige Potentiallandschaft sein muss, um zu einer Lokalisierung der Atome zu führen. Von diesen entstehenden lokalisierten Vielteilchenzustände wird die Zerfallslänge der Dichteverteilung bestimmt, welche am Phasenübergang eine Divergenz zeigt. Die in dieser Arbeit beschriebenen Experimente demonstrieren unterschiedliche Realisierungen von Quantensimulationen. Viele weitere Effekte im Bereich der Quantenmechanik können mit der hier dargelegten Technik untersucht werden. Weitere Messungen profitieren insbesondere von der nachgewiesenen präzisen Anfangszustandspräparation, basierend auf der Kontrolle jedes einzelnen Atomes in wechselwirkenden Vielteilchensystemen, und der ortsaufgelösten Erfassung von einzelnen Atomen. Dieses wird in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Informationsgewinnung über komplexe verschränkte Systeme liefern können.

Abstract

Quantum simulators can overcome the limits of analytical and numerical methods and deliver detailed information about strongly correlated many-body systems. For the experimental exploration of complex problems, quantum gases offer versatile possibilities and profit from the outstanding isolation from external disturbances. This doctoral thesis deals with the experimental study of quantum systems, which are controllably moved out of equilibrium. The temporal evolution is recorded with single-site resolved imaging of bosonic Rubidium atoms in optical lattices. Quantum magnetism is the first examined main topic of this thesis. At first, we reveal that a two component gas is well suited to simulate the Heisenberg model in the regime of strong interaction and under the formation of a Mott insulating state. Therefore, we survey, after a local excitation of a single spin, the coherent expansion of a magnon with spin selective imaging. Utilizing spin projections on the $z$-axis and the equator of the Bloch sphere, the creation and propagation of entangled states is observed. In this experiment, detailed information are extracted with the newly developed Stern-Gerlach like imaging. Furthermore, the emergence and expansion velocity of bound states after the excitation of two neighboring spins is surveyed. The experiments are extended to highly excited spiral states, which decay to homogeneous equilibrium states and do not indicate coherent evolution. The determined decay rate depends on the winding strength and manifests a diffusive behavior in one dimensional systems. In contrast, measurements in two dimensional systems point towards a sub-diffusive evolution. The second main focus of this theses is the thermalization of highly excited states. We investigate how strong an additional computer generated random potential needs to be in order to lead to localization of the atoms. The decay length of the corresponding density distribution of the arising many-body localized states is quantified, which diverges at the phase transition. The experiments characterized in this thesis demonstrate different realizations of quantum simulation. Several further effects in the field of quantum mechanics can be studied with the here demonstrated techniques. Further research will in particular benefit from the precise initial state manipulation, based on the control of every single atom within the many-body interacting system, and the spin selective spatial resolved detection of single atoms. In the future, this will yield a substantial contribution to the acquisition of information on complex entangled systems.