Was ist ein BEC und wie wird es gemacht?
Ein Bose-Einstein Kondensat (engl. Bose-Einstein condensate oder abgekürzt BEC) ist ein nicht klassischer Zustand von Materie, d.h. in diesem Zustand können Eigenschaften untersucht werden, die bei normalen Umgebungsbedingungen nicht zu sehen sind. Für uns sind die quantenmechanischen Eigenschaften von Interesse, die in diesem Regime und für eine große Zahl von anderen Systemen ein ähnliches Verhalten zeigen. Dies erlaubt es uns physikalische Phänomene zu beobachten, die in anderen Systemen nicht zugänglich ist.
Um ein BEC zu erzeugen, muss ein Gas auf circa 100 nK über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Wenn ein Gas bei Normalbedingungen so stark gekühlt wird, dann geht es erst in einen flüssigen oder festen Aggregatzustand über. Um dies zu verhindern, werden die Experimente in einer Ultrahoch Vakuumkammer bei einem sehr niedrigen Druck durchgeführt. Dies verhindert, dass sich die Atome zu einem Festkörper zusammen schließen. Experimentell wird bei uns ein BEC aus 87Rb mit bis zu 150 Tausend Atomen gemacht. Durch die sogenannte Laserkühlung können die Atome innerhalb von zehn Sekunden von Raumtemperatur auf 100 nK gekühlt werden. Des weiteren ist in die Vakuumkammer ein Rasterelektronenmikroskop integriert. Mit diesem können die Atome ionisiert werden, was für uns zwei Dinge bewirkt. Einerseits sind die Ionen nicht mehr gefangen und fliegen aus der kalten Wolke heraus, anderseits können diese Ionen gemessen werden, um ein Bild von der Wolke zu machen.
Was kann damit untersucht werden?
Zentraler Punkt der Experimente in unserem Labor ist das Verhalten eines getriebenen Quantensystems. Das bedeutet entweder werden die Atome durch externe Potentiale beeinflusst, die räumlich und zeitlich variiert werden können, oder ein lokaler Verlustprozess durch das Rasterelektronenmikroskop. Damit kann fundamental der Transport in getriebenen Quantensystem und deren stationäre Zustände untersucht werden. Diese können sich dramatisch von Gleichgewichtszutänden in abgeschlossenen Systemen unterscheiden. Ein anderer Bereich ist die Untersuchung von Atomtransport und quantenmechanischem Tunneln in einer periodischen Anordnung. Dabei wird durch das entfernen von Atomen an einer Stelle ein Teilchenfluss erzeugt, der je nach Verhältnis von Verlusten und Tunnelstärke klassisch ist oder ohne Reibung stattfindet (Superfluid). In dem System kann auch ein stationärer Zustand beobachtet werden, bei dem die Zahl der Atome in einer Mulde zwischen einer geringen und hohen Anzahl hin und her springen kann.
Ausgewählte Veröffentlichungen
Jian Jiang, Erik Bernhart, Marvin Röhrle, Jens Benary, Marvin Beck, Chistian Baals, Herwig Ott
"Kapitza Trap for Ultracold Atoms"
We report on the experimental realization of a Kapitza trap for ultracold atoms. Using time-periodic attractive and repulsive Gaussian potentials, we create an effective trap for ultracold neutral atoms in a regime where the time average of the potential is equal to zero. We analyze the role of experimental imperfections, the stability of the trapped atomic cloud, and the magnitude of the effective potential. We find good agreement with the high-frequency expansion of the underlying system dynamics. Our experimental approach opens up new possibilities to study Floquet systems of neutral atoms.
J. Benary, C. Baals, E. Bernhart, J. Jiang, M. Röhrle, H Ott
„Experimental observation of a dissipative phase transition in a multi-mode many-body quantum system“
New Journal of Physics: 24, 103034 (2022)
Dissipative phase transitions are a characteristic feature of open systems. One of the paradigmatic
examples for a first order dissipative phase transition is the driven nonlinear single-mode optical
resonator. In this work, we study a realization with an ultracold bosonic quantum gas, which
generalizes the single-mode system to many modes and stronger interactions. We measure the
effective Liouvillian gap of the system and find evidence for a first order dissipative phase
transition. Due to the multi-mode nature of the system, the microscopic dynamics is much richer
and allows us to identify a non-equilibrium condensation process.
C. Baals, H. Ott, J. Brand and A.M. Mateo
„Nonlinear standing waves in an array of coherently coupled Bose-Einstein condensates“
Stationary solitary waves are studied in an array of M linearly coupled one-dimensional Bose-Einstein condensates (BECs) by means of the Gross-Pitaevskii equation. Solitary wave solutions with the character of overlapping dark solitons, Josephson vortex-antivortex arrays, and arrays of half-dark solitons are constructed for M>2 from known solutions for two coupled BECs. Additional solutions resembling vortex dipoles and rarefaction pulses are found numerically. Stability analysis of the solitary waves reveals that overlapping dark solitons can become unstable and susceptible to decay into arrays of Josephson vortices. The Josephson vortex arrays have mixed stability but for all parameters we find at least one stationary solitary wave configuration that is dynamically stable. The different families of nonlinear standing waves bifurcate from one another. In particular we demonstrate that Josephson-vortex arrays bifurcate from dark soliton solutions at instability thresholds. The stability thresholds for dark soliton and Josephson-vortex type solutions are provided, suggesting the feasibility of realization with optical lattice experiments.
Ralf Labouvie, Bodhaditya Santra, Simon Heun, and Herwig Ott
"Bistability in a Driven-Dissipative Superfluid"
We experimentally study a driven-dissipative Josephson junction array, realized with a weakly interacting Bose-Einstein condensate residing in a one-dimensional optical lattice. Engineered losses on one site act as a local dissipative process, while tunneling from the neighboring sites constitutes the driving force. We characterize the emerging steady states of this atomtronic device. With increasing dissipation strength γ the system crosses from a superfluid state, characterized by a coherent Josephson current into the lossy site, to a resistive state, characterized by an incoherent hopping transport. For intermediate values of γ, the system exhibits bistability, where a superfluid and an incoherent branch coexist. We also study the relaxation dynamics towards the steady state, where we find a critical slowing down, indicating the presence of a nonequilibrium phase transition.
T. Gericke, P. Würtz, D. Reitz, T. Langen, and H. Ott
"High resolution scanning electron microscopy of an ultracold quantum gas"
Nature Physics 4, 949-953 (2008)
Our knowledge of ultracold quantum gases is strongly influenced by our ability to probe these objects. In situ imaging combined with single-atom sensitivity is an especially appealing scenario, as it can provide direct information on the structure and the correlations of such systems. For a precise characterization a high spatial resolution is mandatory. In particular, the perspective to study quantum gases in optical lattices makes a resolution well below one micrometre highly desirable. Here, we report on a novel microscopy technique, which is based on scanning electron microscopy and allows for the detection of single atoms inside a quantum gas with a spatial resolution of better than 150 nm. We document the great functionality of this technique by precise density measurements of a trapped Bose–Einstein condensate and the first experimental demonstration of single-site addressability in a submicrometre optical lattice.