Kurzfassung
Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie wird im Rahmen dieser Arbeit gezielt mit Hilfe eines Hoch-Finesse Resonators manipuliert. Dafür wird ein Bose-Einstein Kondensat im Zentrum des Hoch-Finesse Resonators präpariert und mit einer senkrecht zur Resonatorachse orientierten Stehwelle gepumpt. Der verwendete Resonator weist eine extrem schmale Linienbreite auf, die in der Größenordnung der Rückstoßfrequenz der Atome liegt. Somit kann die Dynamik des Bose-Einstein Kondensats nicht mehr unabhängig vom resonatorinternen Lichtfeld betrachtet werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei fundamentale Vielteilchensysteme betrachtet:
Das offene Dicke Modell und ein Hybridmodell, welches das offene Dicke Modell mit dem bosonischen Hubbard Modell zusammenführt.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Physik des offenen Dicke Modells präsentiert. Dafür wird das Bose-Einstein Kondensat an eine Longitudinalmode des Hoch-Finesse Resonators gekoppelt und senkrecht zur Resonatorachse mit einer optischen Stehwelle gepumpt. Dabei wurde ein Phasenübergang der Atome von einer homogenen in eine selbstorganisierte Phase beobachtet. Durch die extrem schmale Linienbreite des Resonators war es in dieser Arbeit zum ersten Mal möglich, die Dynamik dieses Phasenübergangs im nicht-adiabatischen Regime zu untersuchen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird das Bose-Einstein Kondensat im Zentrum des Hoch-Finesse Resonators mit einem dreidimensionalen Gitterpotential überlagert und die Wechselwirkung mit einer Lichtmode des Resonators untersucht. Das Kondensat-Resonator-System realisiert ein erweitertes Hubbard Modell, indem neben der kurzreichweitigen Wechselwirkung benachbarter Gitterplätze auch langreichweitige Wechselwirkung auftritt, die über resonatorinterne Photonen vermittelt wird. Dieses Modell bezeichnen wir als Dicke-Hubbard Modell. Im Rahmen dieser Arbeit wird die erste experimentelle Realisierung eines superradianten Mott Isolators im Dicke-Hubbard Modell vorgestellt.
Within this thesis light-matter interaction is manipulated by a high finesse optical cavity. A Bose-Einstein condensate is prepared in the center of the cavity and exposed to an optical standing wave oriented perpendicularly with respect to the cavity axis. The dissipation rate of this cavity is on the order of the atomic recoil frequency. Thus, the dynamics of the Bose-Einstein condensate can no longer be considered independent of the intracavity light field. Two fundamental many-body systems are explored in this work: The open Dicke model and a hybrid model combining the open Dicke model and a bosonic Hubbard model. In the first part of this thesis, the physics of the open Dicke model is presented. Therefore, a Bose-Einstein condensate is coupled to a longitudinal cavity mode and exposed to an optical standing wave oriented perpendicularly with respect to the cavity axis. A phase transition of the atoms was observed from a homogeneous into a self-organized phase. Due to the extremely low dissipation rate of the resonator, it was possible for the first time, to study the dynamics of this phase transition in the non-adiabatic regime. Moreover a Bose-Einstein condensate subjected to an external lattice potential and interacting with a single light mode of a high finesse optical cavity is studied in the second part of this thesis. The BEC-cavity system realizes an extended Hubbard model combining short-range interaction of nearest neighbour hopping and cavity-mediated long-range interaction. We refer this model as Dicke-Hubbard model. Within this thesis the first experimental realization of a superradiant Mott insulator in the Dicke-Hubbard model is presented.