Der orbitale Freiheitsgrad spielt eine entscheidende Rolle für das Verständnis der Eigenschaften einer Vielzahl von physikalischen Systemen. Die Emulation von orbitalen Zuständen in optischen Gittern ist daher ein vielversprechender Baustein für das Studium quantenmechanischer Vielteilchenphänomene. Jedoch unterliegen bosonische Quantengase in höheren Bloch-Bändern im Allgemeinen einer schnellen Relaxationsdynamik, was die Umsetzung dieses Ansatzes erschwert.
In dieser Arbeit wird ein quadratisches optisches Gitterpotential mit einer dynamisch veränderbaren zweiatomigen Basis vorgestellt, das die Realisierung orbitaler optischer Gitter ermöglicht. Es eignet sich nicht nur für die gezielte Anregung in höhere Bänder, sondern reduziert gleichzeitig die dort bestehenden Zerfallskanäle. Unter dieser Voraussetzung können unkonventionelle suprafluide Zustände realisiert werden.
Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung einer wechselwirkungsinduzierten orbitalen Ordnung im zweiten Bloch-Band. Aus dem Wechselspiel der zweifachen Entartung des metastabilen Zustandes im zweiten Band mit der lokalen Stoßwechselwirkung zwischen den Bosonen folgt ein komplexwertiger Ordnungsparameter. Durch eine geeignete Veränderung des Gitterpotentials und der Wechselwirkungsenergie kann die komplexe Ordnung aufgebrochen werden und ein Phasenübergang zu einer gestreiften reellwertigen Wellenfunktion erfolgen. Die Beobachtungen im Experiment stehen im Einklang mit dem Phasendiagramm, das anhand einer Molekularfeldbetrachtung diskutiert wird.
Darüber hinaus wird mit Hilfe eines kohärenten Zustandes im vierten Band eine vermiedene Bandkreuzung untersucht, an der die Bänder zwei, drei und vier beteiligt sind. Wird das Kondensat adiabatisch durch die vermiedene Kreuzung geführt, dann können beschleunigte Bandrelaxationen beobachtet werden, und die Struktur des Zustandes verändert sich. Wird das Ensemble schnell durch die Kreuzung getrieben, kommt es zu kohärenten Landau-Zener-Übergängen, die für die Charakterisierung der Kreuzung eingesetzt werden können.
The orbital degree of freedom is essential for understanding the properties of a wide class of physical systems. The emulation of orbital states in optical lattices thus greatly increases their usefulness for the study of quantum many-body phenomena. Unfortunately, bosonic quantum gases in higher Bloch bands are generally subject to fast relaxation dynamics, which appears to compromise the feasibility of this approach.
In this thesis an optical square lattice is derived from a dynamically adjustable bipartite optical potential, which makes it possible to efficiently populate higher bands and at the same time to keep band relaxation moderate. Under these conditions novel unconventional superfuid states can be realized.
This thesis focuses on the investigation of an exotic interaction-induced orbital order in the second Bloch band. The interplay between a twofold degenerate metastable state and the repulsive interactions between the bosons results in a complex-valued order parameter. By an appropriate tuning of both the lattice potential and the local interaction energy, the complex order can be transformed into a striped order described by a real wave function. The experimental observations are consistent with a second order phase transition which is discussed via a mean-field approach.
Moreover a coherent state in the fourth band is used to investigate an avoided band crossing involving the second, third and fourth Bloch bands. When the condensate is slowly tuned through the avoided crossing, accelerated band relaxation arises and the zero momentum condensate wave function acquires finite momentum order and reduced symmetry. For faster tuning, coherent Landau-Zener transitions between different superfluid orders arise which are used to characterize the avoided crossing.