Negative absolute temperature and the dynamics of quantum phase transitions

In dieser Promotionsarbeit präsentiere ich die erstmalige
Realisierung eines Zustands negativer absoluter Temperatur für
bewegliche Teilchen, sowie zusätzlich die detaillierte Untersuchung
der Dynamik eines Quantenphasenübergangs. Als Grundlage für die
Experimente dienten uns ultrakalte Atome in optischen Gittern, die
durch den Bose-Hubbard Hamilton-Operator beschrieben werden können.
Das Charakteristikum negativer Temperaturen ist eine invertierte
Besetzungsverteilung, bei der Zustände hoher Energien stärker
besetzt sind als niederenergetische Zustände. Daraus folgt die
experimentelle Herausforderung, dass die möglichen Energien des
Systems nach oben beschränkt sein müssen. Zum ersten Mal wurden
negative Temperaturen in den 1950er Jahren in Bezug auf den
Spinfreiheitsgrad von Atomkernen erreicht, welcher ein endliches
Spektrum bildet. In dieser Arbeit stelle ich die erstmalige
Realisierung von negativen Temperaturen auch für kinetische
Freiheitsgrade vor. Dafür beschränkten wir die kinetische Energie
auf ein einzelnes Band des Gitterpotenzials und nutzten die volle
Flexibilität unseres Experiments, bestehend aus rotverstimmten
Dipolfallen, blauverstimmten Gitterpotenzialen und einer
Feshbach-Resonanz, um die Gesamtenergie des Systems zu limitieren.
Durch die Messung der Impulsverteilung konnten wir nachweisen, dass
die Atome vor allem Zustände höchster kinetischer Energie besetzen.
Das Experiment ermöglicht in Zukunft unter anderem die Untersuchung
von Systemen, bei denen der oberste Energiezustand besonders
interessante Eigenschaften aufweist. In einem weiteren Experiment
untersuchten wir das komplexe dynamische Verhalten an einem
Quantenphasenübergang, das auch in der modernen Physik noch nicht
vollständig verstanden ist. Quantenphasenübergänge zeichnen sich
durch eine fundamentale Änderung von Grundzustandseigenschaften bei
Variation eines Parameters aus; Beispiele sind das Auftreten von
magnetischer Ordnung oder von Supraleitung als Funktion der
Dotierung in Cupraten. In diesem Projekt untersuchten wir den
Phasenübergang von Mott-Isolator zu Suprafluid, einen
paradigmatischen Vertreter der Quantenphasenübergange, und dabei
insbesondere, wie sich Kohärenz beim Übergang vom inkohärenten
Mott-Isolator zum phasenkohärenten Suprafluid dynamisch aufbaut.
Das komplexe Verhalten, das wir beobachten konnten, geht über die
Vorhersagen existierender analytischer Modelle wie des
Kibble-Zurek-Mechanismus' hinaus. Numerische Simulationen
eindimensionaler Systeme unserer Kollegen von der FU Berlin stimmen
hervorragend mit unseren experimentellen Daten überein und
bestätigen unsere Messungen als zertifizierte Quantensimulation.
Unsere umfangreichen Ergebnisse für unterschiedliche repulsive und
attraktive Wechselwirkungen sowie Dimensionalitäten sind ein
entscheidender Baustein, um in Zukunft ein tiefergehendes
Verständnis des komplizierten dynamischen Verhaltens an
Quantenphasenübergängen zu erreichen.