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Tunneling Dynamics of Few-Boson Systems in Double-Well Traps

Chatterjee, Budhaditya

German Title: Tunnel Dynamik weniger Bosonen in Doppel-Topffallen

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Abstract

In this thesis, the tunneling dynamics of a few boson system in a double-well is investigated from an ab-initio prospective using the numerically exact Multi-Configuration Time-Dependent Hartree method. We first study a system consisting of single species of bosons with a spatially modulated interaction. The main emphasis is on the role of inhomogeneity and its effect on the tunneling. The dynamics changes from Rabi oscillations in the non-interacting case to a highly suppressed tunneling for intermediate interaction strengths followed by a reappearance of tunneling near the fermionization limit. With extreme interaction inhomogeneity in the regime of strong correlations we observe tunneling between the higher bands. A richer behavior is found for systems with higher particle number. For systems with more than two bosons, the inhomogeneity of the interaction can be tuned to generate tunneling resonances. These observations are explained on the basis of the few-body spectrum and stationary eigenstates. A tilted double-well and its interplay with the interaction asymmetry is discussed next. We demonstrate that the effects of the interaction can be compensated by the tilt leading to tunneling resonances. We then explore tunneling dynamics of binary bosonic mixtures. The focus is on the role of the inter- and intra-species interactions and their interplay. The dynamics is studied for three initial configurations: complete and partial population imbalance and a phase separated state. Increasing the inter-species interaction leads to a strong increase of the tunneling time period analogous to the quantum self-trapping for condensates. The intra-species repulsion can suppress or enhance the tunneling period depending on the strength of the inter-species correlations as well as the initial configuration. Completely correlated tunneling between the two species and within the same species as well as mechanisms of species separation and counterflow are revealed. These effects are explained by studying the many-body energy spectra as well as the properties of the contributing stationary states.

Translation of abstract (German)

Gegenstand dieser Arbeit ist die ab-initio Untersuchung der Tunneldynamik vonWenig- Bosonen-Systemen in einem Doppeltopfpotential mit Hilfe der numerisch exakten ”Multi- Configuration Time-Dependent Hartree” Methode (MCTDH). Zunächst studieren wir ein System bestehend aus Bosonen gleicher Spezies mit einer räumlich modulierten Wechselwirkung. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Rolle von Inhomogenität und deren Einfluss auf das Tunneln. Die Dynamik variiert von Rabi-Oszillationen im Fall ohne Wechselwirkung über stark unterdrücktes Tunneln für mittlere Stärke der Wechselwirkung bis hin zum Wiederauftreten von Tunneln in der Nähe des Grenzwerts für Fermionisierung. Im Regime starker Korrelationen beobachten wir für sehr starke Wechselwirkungsinhomogenitäten Tunneln zwischen höheren Bändern. Für Systeme mit hoher Teilchenzahl wird ein vielseitigeres Verhalten gefunden. In Systemen mit mehr als zwei Bosonen können Tunnelresonanzen erzeugt werden durch die geeignete Wahl der Inhomogenität der Wechselwirkung. Diese Beobachtungen werden auf der Grundlage des Spektrums von wenigen Teilchen und stationären Eigenzust änden erklärt. Als Nächstes wird der geneigte Doppeltopf und sein Wechselspiel mit der Wechselwirkungsasymmetrie diskutiert. Wir zeigen, dass die Effekte der Wechselwirkung durch das Neigen kompensiert werden können, was zu Tunnelresonanzen führt. Danach diskutieren wir die Tunneldynamik von binären bosonischen Mischungen. Der Schwerpunkt liegt auf dem Einfluss der Wechselwirkung zwischen gleichen und unterschiedlichen Teilchenspezies beziehungsweise deren Wechselspiel. Für drei Anfangskonfigurationen wird die Dynamik studiert: vollständiges und teilweises Populationsungleichgewicht und einem phasenseparierten Zustand. Eine Erhöhung der Wechselwirkung zwischen gleichen Teilchenspezies führt zu einem starken Anstieg der Tunnelperiode analog zum ”quantum self-trapping” für Kondensate. Abhängig von der Stärke der Korrelationen zwischen gleichen Teilchenspezies und der Anfangskonfiguration kann die Abstossung zwischen den unterschiedlichen Teilchenspezies die Tunnelperiode unterdrücken oder verstärken. Vollständig korreliertes Tunneln zwischen den zwei Teilchenarten und innerhalb der gleichen Spezies werden gezeigt, ebenso wie Mechanismen zur Trennung der unterschiedlichen Teilchenarten und ”counterflow”. Mit Hilfe des Viel-Teilchen Energiespektrums und der Eigenschaften der beitragenden stationären Zustände werden diese Effekte erklärt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Cederbaum, Prof. Dr. Lorenz S.
Date of thesis defense: 14. October 2011
Date Deposited: 24. Feb 2012 08:17
Date: 2011
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Quantum dynamics , Tunneling effect , Ultracold bosons
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