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From Few to Many: Ultracold Atoms in Reduced Dimensions

Wenz, Andre Niklas

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Abstract

This thesis reports on experimental studies exploring few and many-body physics of ultracold Bose and Fermi gases with reduced dimensionality. These experiments illustrate the versatility and great amount of control over the particle number, the interaction and other degrees of freedom, like the spin, that these generic quantum systems offer. In the first part of this thesis, we use quasi one-dimensional few-particle systems of one to ten fermionic atoms to investigate the crossover from few to many-body physics. This is achieved by measuring the interaction energy between a single impurity atom in a state |down> which repulsively interacts with an increasing number of majority atoms in a state |up>. We find that the system quickly approaches the results from the many-body theory, which describes the behavior of a single impurity immersed in a Fermi sea of an infinite number of majority particles. The second part of this thesis presents studies of the time evolution of a bosonic F=1 spinor BEC of 87Rb atoms. In this system, we investigate the emergence and coarsening of ferromagnetic spin textures from initially unmagnetized samples. While the ferromagnetic domains grow, we observe the development of a spin space anisotropy which is in agreement with the predicted phase-diagram. The last part of this thesis presents our first steps towards the investigation of phase coherence of quasi two-dimensional quantum gases in the crossover from bosonic molecules to fermionic atoms.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt Experimente, die Wenig- und Vielteilchenphysik mit ultrakalten Bose- und Fermigasen in reduzierten Dimensionen untersuchen. Die Experimente zeigen die Flexibilität und Kontrolle, die diese generischen Quantensysteme über die Teilchenzahl, die Wechselwirkung und andere Freiheitsgrade, wie den Spin, bieten. Im ersten Teil dieser Arbeit verwenden wir quasi-eindimensionale Wenigteilchensysteme, bestehend aus ein bis zehn fermionischen Atomen, um den Übergang zwischen Wenig- und Vielteilchenphysik zu untersuchen. Hierfür messen wir die Wechselwirkungsenergie eines repulsiv wechselwirkenden Systems, welches aus einem Minoritätsteilchen im Zustand |down> und einer wachsenden Anzahl von Majoritätsteilchen im Zustand |up> besteht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das System schnell den Vorhersagen der Vielteilchentheorie nähert, die das Verhalten eines einzelnen Minoritätsatoms beschreibt, welches sich in einem Fermisee von unendlich vielen Majoritätsteilchen befindet. Der zweite Teil dieser Arbeit stellt unsere Untersuchungen über die zeitliche Entwicklung eines bosonischen F=1 Spinor Bose-Einstein Kondensats aus 87Rb-Atomen vor. Mit einem solchen System untersuchen wir, wie aus anfangs nicht magnetizierten Systemen ferromagnetische Spinbezirke entstehen und sich verbinden. Während des Wachstums der ferromagnetischen Bereiche beobachten wir die Bildung einer Anisotropie in der Ausrichtung der Magnetisierung. Diese Beobachtung steht in Übereinstimmung mit dem vorhergesagten Phasendiagramm. Im letzten Teil dieser Arbeit präsentieren wir erste Schritte auf dem Weg zur Untersuchung von Phasenkohärenz in quasi-zweidimensionalen Quantengasen im Crossover zwischen bosonischen Molekülen und fermionischen Atomen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jochim, Prof. Dr. Selim
Place of Publication: Heidelberg, Deutschland
Date of thesis defense: 19 December 2013
Date Deposited: 13 Jan 2014 11:07
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
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