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Exploring strongly correlated Rydberg excitations in cold gases using Full Counting Statistics

Martinez Valado, Maria

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Abstract

This Thesis aims to investigate the role of correlations arising in cold Rydberg samples as a consequence of the strong interactions between its constituents. For this purpose, two different approaches, which allow the study of different correlations, are presented here. On the one hand, as a consequence of the interactions between the excitations, resonantly excited Rydberg ensembles exhibit a strong degree of anti-correlation, which becomes visible either through the blockade of the excitation, or through a slowing down of the dynamics. On the other hand, the Rydberg-Rydberg interactions in the off-resonant regime enhance the generation of new excitations, leading the system to exhibit strong correlations. Moreover, by analyzing the full counting statistics (FCS) of the excitation events we get more insight into this process. Thus, in the off-resonant case, the most notable features of these strong correlations are the bimodal shapes of histograms of the counting distributions. Furthermore, under strong dissipative conditions, the FCS analysis reveals signs of a transition between two dynamical phases. Although the afore-mentioned effects were observed in a system governed by an Ising-type Hamiltonian, correlations emerge in other systems as well. For instance, in systems described by Heisenberg XX-type Hamiltonians, the strong interactions lead the dipolar energy exchange between the excitations.

Translation of abstract (German)

In dieser Doktorarbeit wird die Rolle der Korrelationen untersucht, die aufgrund der starkenWechselwirkungen zwischen Rydbergatomen in kalten Gasen auftreten. Zu diesem Zweck werden hier zwei verschiedene Methoden vorgestellt, die eine Untersuchung dieser Korrelationen ermöglichen. Zum einen weisen resonant angeregte Ensembles von Rydbergatomen starke Anti-Korrelationen aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den angeregten Atomen auf; diese werden entweder als Anregungsblockade sichtbar oder durch eine Verlangsamung der Dynamik. Zum anderen verstärken die Rydberg-Rydberg Wechselwirkungen im nichtresonanten Anregungsregime die Bildung neuer Anregungen, was zu starken Korrelationen im System führt. Wir erhalten einen tieferen Einblick in diesen Prozess durch eine Analyse der Full Counting Statistics (FSC) der Anregungsereignisse. Im nichtresonanten Fall sind die auffälligsten Merkmale der starken Korrelationen gegeben durch eine bimodale Form der Histogramme der Anregungsereignisse. Unter stark dissipativen Bedingungen offenbart die Analyse der FSC zudem Anzeichen eines Phasenübergangs zwischen zwei dynamischen Phasen. Die obengenannten Effekte wurden zwar in Systemen nachgewiesen, die durch einen Hamilton-Operator vom Ising-Typ beschrieben werden, doch entstehen Korrelationen auch in anderen Systemen. So führen starke Wechselwirkungen in Systemen vom Typ Heisenberg-XX zu einem dipolaren Energieaustausch zwischen den angeregten Atomen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Weidemüller, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 18 May 2015
Date Deposited: 02 Jun 2015 11:36
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Rydberg, Cold atoms, Full Counting Statistics, Correlations
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