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Bose-Einstein Condensates in a Single Double Well Potential

Gati, Rudolf

German Title: Bose-Einstein Kondensate in einem einzelnen Doppelmuldenpotential

PDF, English
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The subject of this work is the experimental implementation of a single bosonic Josephson junction and the discussion of the performed investigations. To generate this new kind of Josephson junction a 87-Rubidium Bose-Einstein condensate is split in a double well potential into two matter wave packets, which are coupled coherently to each other via quantum mechanical tunneling of atoms through the barrier. The state of the system can be described by two dynamical variables, the population imbalance of the two wells and their phase difference. The investigation of the dynamical response of the Josephson junction shows, that two dynamical regimes can be identified, the plasma oscillation regime, where atoms tunnel back and forth between the wells, and the self trapping regime, where no tunneling is found. Furthermore, the investigation at finite temperature reveals, that the relative phase in steady state is not locked to zero but fluctuates according to its temperature and the tunneling coupling. By measuring the fluctuations and calculating the tunneling coupling it is possible to deduce the temperature of the atomic cloud. With this a new method for thermometry is realized, which also works in a regime, where the standard methods can not be applied.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit werden die experimentelle Realisierung eines einzelnen bosonischen Josephsonkontaktes beschrieben und die damit durchgeführten Untersuchungen diskutiert. Um diesen neuartigen Josephsonkontakt zu erzeugen, wird ein 87-Rubidium Bose-Einstein Kondensat in einem Doppelmuldenpotential in zwei Materiewellenpackete zerteilt, welche durch das quantenmechanische Tunneln der Atome durch die Barriere miteinander kohärent gekoppelt sind. Der Zustand des Systems lässt sich mit Hilfe zweier dynamischer Variablen charakterisieren, dem Besetzungszahlunterschied der beiden Mulden und dem Phasenunterschied zwischen ihnen. Die Untersuchung des dynamischen Verhaltens des Josephsonkontaktes zeigt, dass zwei deutlich voneinander getrennte Regime existieren, das Plasma-Oszillations Regime, in welchem Teilchen aus einer Mulde in die andere und wieder zurück tunneln, und das Self Trapping Regime, in welchem die Tunneldynamik eingefroren zu sein scheint. Des Weiteren wird das Verhalten dieses Josephsonkontaktes bei verschiedenen Temperaturen betrachtet. Es zeigt sich, dass die relative Phase zwischen den zwei Materiewellenpaketen in Steady State nicht konstant Null ist, sondern je nach Temperatur und Tunnelkopplung Fluktuationen unterliegt. Durch das Messen der Fluktuationen bei der gleichzeitigen Kenntnis der Tunnelkopplung lässt sich die Temperatur der atomaren Wolke bestimmen. Damit ist ein neues Verfahren zur Temperaturmessung realisiert, welches auch in einem Temperaturbereich eingesetzt werden kann, in der herkömmliche Methoden keine sinnvollen Resultate liefern.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oberthaler, Prof. Dr. Markus
Date of thesis defense: 16 May 2007
Date Deposited: 24 May 2007 11:07
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Bose-Einstein-Kondensation, Josephson-Kontakt, Thermometrie
Uncontrolled Keywords: Bose-Einstein condesation , Josephson junction , thermometry
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