Localization of ultracold atoms in quasi-periodic optical lattices

Lüschen, Henrik Pascal (2018): Localization of ultracold atoms in quasi-periodic optical lattices. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Ein hoch angeregtes Vielteilchensystem relaxiert normalerweise in einen Gleichgewichtszustand, in dem alle Observablen ihre thermischen Werte annehmen. Das Verhalten des Systems wird dann effektiv klassisch. Dieses Verhalten, bekannt als Thermalisierung, tritt in fast allen Systemen auf. Bekannte Ausnahmen sind integrierbare Systeme, bei denen eine extensive Anzahl von Erhaltungsgrößen die Dynamik einschränkt, und Vielteilchenlokalisierung, die in nicht-periodischen Potenzialen auftritt. Diese Arbeit befasst sich mit Experimenten zur Lokalisierung von 40K-Atomen in einem quasiperiodischen optischen Gitter. Mithilfe von Messungen der Ausdehnung der Atomwolke, sowie dem Zerfall eines mikroskopischen Dichtemusters im Anfangszustand, charakterisieren wir zunächst das Verhalten einzelner Teilchen in unserem quasi-periodischen Potenzial. Unsere Messungen zeigen, dass sich individuelle Teilchen von einer ausreichend starken Quasiperiodizität lokalisieren lassen. Wir finden ein Parameterregime, in dem sich das System durch den Aubry-André Hamiltonoperator beschreiben lässt. Außerhalb dieses Regimes können delokalisierte und lokalisierte Zustände, getrennt von einer Mobilitätskante, koexistieren. Des Weiteren untersuchen wir das Verhalten von Vielteilchensystemen und zeigen, dass die Lokalisierung auch in der Gegenwart von Wechselwirkungen zwischen den Teilchen bestehen bleiben kann. Wir studieren die Dynamik in der Nähe des Phasenübergangs und leiten daraus eine untere Grenze für die kritische Stärke des quasiperiodischen Potenzials ab. Zusätzlich wird ein neu entwickeltes Verfahren zur Implementierung eines gut kontrollierbaren externen Bades vorgestellt. Dieses Bad wird verwendet, um Vielteilchenlokalisierung in offenen Systemen zu erforschen.

Abstract

The long-time dynamics of a highly excited many-body system typically bring it into an equilibrium state, where observables take their thermal values and its behavior becomes effectively classical. This thermalizing behavior is generic in the sense that it occurs in almost all systems with only two major exceptions: integrable systems, where an extensive amount of conserved quantities restrict the dynamics, and many-body localized systems, where non-periodic changes of local potentials result in a non-ergodic behavior. In this thesis, we report on experiments investigating the localization of 40K atoms in a quasi-periodic optical lattice. Using the global expansion of the cloud and the decay of an initially imprinted microscopic density pattern, we first characterize the behavior of single particles in the quasi-periodic potential, finding localization if the quasi-periodic detuning is sufficiently strong. We distinguish parameter regimes where a single-particle mobility edge is present from regimes where the system is well described by the Aubry-André Hamiltonian, which does not exhibit a single-particle mobility edge. Further, we investigate the behavior of the many-body systems, showing that localization can persist in the presence of interactions. We present a detailed study of the dynamics close to the many-body localization phase transition and derive a lower bound on the critical detuning strength. Additionally, a newly developed method to implement a controllable external bath to the system via scattering of near-resonant photons is applied to the many-body localized system.

Abstract

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 26. Januar 2018
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel