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Engineering the Landau-Zener Tunneling of Ultracold Atoms in Tilted Potential

Tayebirad, Ghazal

German Title: Kontrolle des Landau-Zener-Tunnels ultrakalter Atome in gekippten Potentialen

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A comprehensive study of the time-resolved Landau–Zener tunneling of a Bose– Einstein condensate in a tilted periodic potential is presented in this thesis. Several ways are discussed how to control the tunneling. In the first collection of our results, the tunneling from the ground band to the continuum is shown to depend crucially on the initial condition and system parameters, and also on the strength of atom-atom interactions. The use of different protocols enables us to access the tunneling probability in two different bases, namely, the adiabatic basis (eigenstates of the Hamiltonian with the potential) and the diabatic basis (free-particle momentum eigenstates). The structure of the survival probability and the measure of the tunneling time depend on the chosen basis. All these possibilities have been checked and proved in experiments. We go also beyond and propose a possibility to manipulate the tunneling probability of ultracold atoms in the tilted time-dependent stochastic potentials. Our theoretical and numerical results show that the tunneling in such a potential can be controlled by adding different types of colored noise. A scaling law is introduced for these results, which effectively reduces the parameter-dependence of the tunneling and leads to a better understanding of dynamics in the proposed noisy system.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird das zeitaufgelöste Landau-Zener-Tunneln eines Bose- Einstein-Kondensates in einem gekippten periodischen Potential umfassend studiert. Verschiedene Möglichkeiten das Tunneln zu kontrollieren werden diskutiert. Im ersten Teil unserer Ergebnisse zeigt sich, dass das Tunneln vom Grundband ins Kontinuum entscheidend von den Anfangsbedingungen, den Systemparametern und auch von der Stärke der Atom-Atom-Wechselwirkungen abhängt. Das Verwenden verschiedener Protokolle erlaubt uns auf die Tunnelwahrscheinlichkeit in zwei verschiedenen Basen zuzugreifen: zum einen in der adiabatischen Basis (Eigenzustände des Hamiltonoperators mit Potential) und zum andern in der diabatischen Basis (Impulseigenzustände der freien Teilchen). Die Struktur der Überlebenswahrscheinlichkeit und das Maß der Tunnelzeit hängen von der gewählten Basis ab. All diese Möglichkeiten sind in Experimenten uberprüft und nachgewiesen worden. Darüber hinausgehend schlagen wir eine Möglichkeit vor, die Tunnelwahrscheinlichkeit ultrakalter Atome in gekippten zeitabhängig stochastischen Potentialen zu manipulieren. Unsere theoretischen und numerischen Ergebnisse zeigen, dass das Tunneln in solchen Potentialen durch das Hinzufügen verschiedener Arten farbigen Rauschens kontrolliert werden kann. Für diese Ergebnisse wird ein Skalierungsgesetz eingeführt, das die Parameterabhängigkeit des Tunnelns reduziert und zu einem besseren Verständnis der Dynamik in dem vorgeschlagenen rauschenden System führt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wimberger, Dr. Sandro
Date of thesis defense: 24 January 2011
Date Deposited: 27 Jan 2011 12:15
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Ultrakaltes Atom, Bose-Einstein-Kondensation
Uncontrolled Keywords: Bose-Einstein Condensate , Wannier-Stark systems , Noise
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