Mit der experimentellen Realisierung von Bose-Einstein Kondensaten in verdünnten atomaren Gasen wurde 1995 ein neues faszinierendes Forschungsfeld eröffnet. Seitdem sind eine Vielzahl an fundamentalen Fragestellungen zu schwach wechselwirkenden Bose-Einstein Kondensaten studiert worden, welche zumeist auf der Nichtlinearität der Systeme basieren. Fast alle bisherigen experimentellen Arbeiten untersuchen jedoch nur das Verhalten ein-komponentiger Bose-Einstein Kondensate. Lediglich in zwei Arbeitsgruppen am JILA und MIT (sowie parallel zu dieser Arbeit am Georgia Tech) wurden die besonderen Eigenschaften, welche auf der komplexeren Wechselwirkung von zwei bzw. drei-komponentigen Bose-Einstein Kondensaten beruhen, analysiert.
Im Rahmen der vorliegenden Promotion wurde erstmals die vielschichtige Dynamik fünf-komponentiger Bose-Einstein Kondensate sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Basierend auf einem F=2 Spin-System konnte ein wichtiger Beitrag zu magnetischen Wechselwirkungen in atomaren Quantensystemen gegeben werden, wobei der Schwerpunkt der Arbeit auf der zeitlichen Dynamik, dem magnetischen Grundzustand in Abhängigkeit verschiedener Parameter sowie auf den unterschiedlichen Verlustkanälen liegt.
Die Experimente wurden mit 87Rb Atomen im Hyperfeinzustand F=2 durchgeführt. Die dafür erforderliche Apparatur sowie alle notwendigen Lasersysteme des Experimentes wurden im Rahmen dieser Arbeit konzipiert und aufgebaut.
Ein zentrales Ergebnis der Messungen ist, dass Kondensate aus 87Rb Atomen im Hyperfeinzustand F=2 ein polares (anti-ferromagnetsiches) Verhalten zeigen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte jedoch gezeigt werden, dass hieraus nicht auf eine polare Phase geschlossen werden kann, da dieser Zustand bei einem vorhandenen magnetischen Offsetfeld auch der Grundzustand der zyklischen Phase ist. Diese magnetische Phase ist eine Folge der komplexen Wechselwirkungen. Sie tritt in Systemen aus Atomen mit Spin eins nicht auf und wurde hier erstmals unter Berücksichtigung von Magnetfeldern ausführlich analysiert.
Bei der experimentellen Untersuchung der Spindynamik konnte gezeigt werden, dass diese im vorliegendem System im Vergleich zu den bisherigen Experimenten mit 23Na sehr schnell stattfindet (10ms gegenüber 1s). Dies erlaubt erstmals Experimente zur Spindynamik, bei denen diese schneller abläuft als die Thermalisierung des Ensembles. Dies erlaubt neue Studien zur kohärenten Dynamik. Begleitend zu den umfangreichen experimentellen Ergebnissen wurde ein Modell zur Analyse der Spindynamik entwickelt und mit diesem insbesondere der Einfluss von zusätzlichen Offset-Magnetfeldern auf die Dynamik charakterisiert.
Ebenso konnte eine Magnetisierung bei Kondensaten, die mit einem Gesamtspin ungleich null präpariert waren, festgestellt werden. Dieser Effekt resultiert aus der Spindynamik zusammen mit spinabhängigen Verlusten. Diese Verluste treten bei Wechselwirkungen mit Übergängen in den unteren Hyperfeinzustand auf. Für die Mischung aus den Spinzuständen mF=+2 und mF=-2 sowie der Gleichverteilung über alle mF Komponenten konnten die Zwei-Körper Zerfallsraten bestimmt werden.
Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse stellen eine wesentliche Erweiterung des Verständnisses von mehr-komponentigen Bose-Einstein Kondensaten dar.
The experimental realization of Bose-Einstein condensation with atomic gases opened up a new faszinating research area. Since 1995 a myriad of fundamental effects of weak interacting Bose-Einstein condensates have been studied, many of them based on the non-linearity of the system. In almost all experiments the behavior of only one-component condensates is analyzed. Only in two groups at JILA and at MIT (as well as at Georgia Tech simultaneously to this thesis) the special effects of two- and three-component condensates have been studied.
In the present thesis the complex dynamics of five-component Bose-Einstein condensates is investigated experimentally and theoretically. Based on a F=2 spin-system an important contribution to the magnetic interaction in atomic quantum-gases is made. The main emphasis of this work is on the dynamics of the spin-states, the magnetic groundstate and its dependence on various parameters and the different loss-channels.
The experiments are realized with 87Rb atoms within the hyperfine manifold F=2. The required apparatus as well as all essential laser-systems of the experiment have been designed and built.
One main result of the measurements is the observation of a polar behavior of 87Rb condensates in the F=2 hyperfine state. It is shown in this thesis that this does not unambiguously imply a polar phase for the atoms. The groundstate of the cyclic phase can be shifted by a magnetic field into a region where polar behavior also repesents the spin-state with minimum energy. The cyclic phase does not exist in spin-one systems and is a result of the complex interactions in spin-two systems. In this thesis the effects of magnetic fields for spin-two systems with respect to the ground states are analyzed in detail.
In comparision to the experiments with 23Na the experimental investigations of spindynamics show a very fast built up of the population in the "new" spin components (10ms versus 1s). This effect allows for experiments with spindynamics faster than the thermalization of the ensemble for the first time. Accompanying to the detailed experimental results a model for the analysis of spindynamics has been developed. In particular this model contains the influence of additional magnetic offset fields to the spindynamics.
Furthermore a magnitization of condensates with initial total spin unequal to zero has been observed. This effect results from spindynamics combined with spin-dependent losses. These losses appear due to transitions into the lower hyperfine state. The two-body loss rates for a mixture of the spin-states mF=+2 together with mF=-2 as well as for a equipartition over all mF components have been determined.
The results of this thesis give an important extension to the understanding of multi-component Bose-Einstein condensates.