Optische Gitter haben seit ihrer erstmaligen Realisierung die Hoffnung bestärkt, die Physik von Elektronen in Festkörpern zu emulieren, und somit eventuell Antworten auf bisher unverstandene Probleme wie beispielsweise Hochtemperatur-Supraleitung zu liefern. Feynmans Idee eines universellen Quantensimulators folgend haben Forscher daher sukzessiv zusätzliche "Einstellknöpfe" und Messtechniken für ihre Experimente entwickelt. Weitestgehend unerforscht blieb bisher allerdings der orbitale Freiheitsgrad.
In dieser Dissertation wird die erstmalige Realisierung von Superfluiden in angeregten Bändern eines optischen Gitters mit zweiatomiger Basis vorgestellt. Mithilfe eines Superfluids im Grundzustand wurde zunächst nachgewiesen, dass die VielteilchenWellenfunktion im unserem Experiment in guter Näherung durch Einteilchen-Blochfunktionen gegeben ist. Durch einen Quenchprozess wird die Grundzustandspopulation in ein höher gelegenes Band transferiert, wo die Teilchen dann durch Kollisionen unterstützt ein metastabiles Kondensat formen. Diese Methode wurde genutzt, um Superfluide in höheren Bändern mit komplexwertigem Ordnungsparameter zu präparieren.
Um die Messdaten mit dem Einteilchenmodell zu vergleichen wurde eine Bandstrukturrechnung verwendet, die es erlaubte, nicht-triviale höhere Orbitale mit lokalem Drehimpuls zu identifizieren. Im zweiten Band wurde so eine komplexwertige Superposition von zwei verschiedenen Blochwellen an inäquivalenten Minima in der Brillouinzone entdeckt. Der Anteil beider Wellenfunktionen in diesem Zustand kann durch das Verändern einer kleinen Energiedifferenz zwischen den Kondensationspunkten verändert werden, indem das Gitterpotential künstlich verzerrt wird. Eine Analyse mit einer Molekularfeldtheorie zeigt, dass die komplexwertige Überlagerung durch die repulsive atomare Wechselwirkung stabilisiert wird. Im siebten Band wurde das dynamische Anwachsen und der anschließende Zerfall der Kohärenz beobachtet, sowie Zerfallsprozesse durch die das System rethermalisiert.
Since their first demonstration, optical lattices have raised hopes of emulating the physics of electrons in solids, and with this provide answers to yet unsolved problems like e. g. high-temperature superconductivity. Following R. Feynman's idea of a universal quantum simulator, researchers therefore successively developed additional "tuning knobs" and measurement techniques for their experiments. Up to now however, the orbital degree of freedom remained mostly unexplored.
This thesis presents the first realization of superfluids in excited bands of a bipartite optical lattice. Using a ground-state superfluid it was first shown that the ensemble's many-body wave-function in the experiment is in a good approximation given by single-particle Bloch-functions. By means of a population swapping technique, atoms were transferred into higher bands, in which the particles form a metastable condensate via a collision-aided condensation process. This method was used to prepare superfluids in excited bands with complex-valued order parameters.
To compare the measured data with the single-particle model, a band calculation was applied, which allowed us to identify non-trivial higher orbitals with local angular momentum. In the second band, a complex superposition of two different Bloch states at non-equivalent minima in the Brillouin zone, was discovered. The population of both wave-functions in this state can be adjusted by tuning a small energy difference between the condensation points via an arbitrary distortion of our lattice potential. A mean field analysis shows that the complex superposition is stabilized by the repulsive atomic interaction. In the seventh band, the dynamical growth and subsequent decay of coherence is observed, and decay processes which rethermalize the system are analyzed.