Kurzfassung
In dieser Arbeit stelle ich drei Experimente eines dynamisch getriebenen Atom-Resonator Systems vor. Kernstück der Experimente ist ein Bose-Einstein Kondensat aus Rubidiumatomen, welches dispersiv mit dem Lichtfeld eines optischen Resonators gekoppelt ist. Dabei limitiert die schmale Linienbreite des Resonators die Dynamik des Lichtfelds, wodurch sich das Kondensat und das Lichtfeld auf ähnlichen Zeitskalen entwickeln und gekoppelt betrachtet werden müssen.
Die Atom-Resonator Wechselwirkung lässt sich über die Stärke und die Frequenz eines externen Pumpfeldes kontrollieren. Dabei induziert die Pumpe elektrische Dipole welche mit einer einzelnen Mode des Resonators koppeln. Das kollektive Koppeln der Atome mit nur einer Resonator Mode führt zu eine unendlich-reichweitigen Wechselwirkung zwischen den Atomen. Dabei wird die Wechselwirkung zwischen den Atomen von dem Lichtfeld im Resonator vermittelt.
Eine senkrecht orientierte Pumpe mit einer Stärke oberhalb einer kritischen Pumpstärke, verursacht einen Phasenübergang von einer superfluiden Phase zu einer selbstorganisierten Phase.
Im ersten Teil dieser Arbeit untersuche ich das Ausbilden von langreichweitigen Wechselwirkung zwischen den Atomen für Pumpstärken unterhalb der kritischen Schwelle für den Phasenübergang in die selbst-organisierte Phase. Die Kopplung zwischen dem Lichtfeld und den pumpinduzierten atomaren Dipolen führt zur Entstehung von Polariton Moden, deren Anregungsenergie für steigenden Pumpstärken abnimmt.
Ziel des Experiments war es, die Polariton Mode für Pumpstärken unterhalb der kritischen Schwelle anzuregen. Dazu wurde eine Bragg-Spektroskopie-Variante verwendet, die die Anregungsenergie der Impulszustände, die der selbstorganisierten Phase entsprechen, durch einen kurzen Lichtpuls angeregt.
Der zweite experimentelle Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Unterdrückung der selbst-organisierten Phase für Pumpstärken oberhalb der kritischen Schwelle. In diesem Teil dieser Arbeit ergänzen ich das transversal gepumpte Atom-Resonator System um eine zeitperiodische Modulation der externen Pumpe. Dies verursacht einer dynamischen Änderung der Kopplungsstärke zwischen den Atomen und dem Resonator, welches eine Renormierung der Pumpparameter verursacht, die nicht nur die selbst-organisierte Phase unterdrückte, sondern auch die Kohärenz im System wiederherstellte.
Schließlich wurde das Verständnis des getriebenen Systems genutzt, um Experimente mit einer Modulationsfrequenz nahe einer parametrischen Resonanz des experimentellen Systems durchzuführen. Mit diesen Frequenzen lassen sich nicht nur die selbst-organisierte Phase unterdrücken, sondern es können auch zusätzliche Dichtewellen in unserem System anregen. Aufgrund der dynamischen Natur dieser getriebenen Dichtewelle kommt es zur zeitlichen Änderung der Besetzung der selbst-organisierten Phase und der getriebenen Dichtewelle, die ich untersuche.
In this thesis, I report on three experiments with a dynamically driven atom-cavity system. The core of the experimental apparatus is a Bose-Einstein condensate of Rubidium atoms, which dispersively couples to the fundamental mode of a narrow linewidth optical cavity. The advantage of the narrow linewidth is a retardation of the cavity light field dynamics, which leads to similar time scales of its evolution and the associated atomic motion. The resulting atom-cavity interaction can be experimentally controlled by tuning the strength and frequency of an external pump field. Thereby, the pump induces an oscillating electric dipole, which couples to a cavity mode. The collective coupling of the dipoles to a single light mode results in an infinite-range atom-atom interaction mediated by the cavity field. A transversely pump with a strength above a critical threshold evokes a phase transition from a homogeneous superfluid phase to a spatially structured self-organized phase. Within some limitations, this is an experimental realization of the open Dicke model and builds the basis of the experiments presented here. In the first part of this thesis, the infinite- range interaction for pump strengths below the critical threshold is studied. The coupling between the intra-cavity field and the pump-induced atomic dipoles leads to the emergence of collective polariton modes, whose excitation energy softens towards the critical threshold. The aim of the experiment was to excite the atomic-polariton mode, however, under the condition of pump strengths below the critical threshold. Therefore, a Bragg-spectroscopy-variant was used, which probes the excitation energy of the momentum states that corresponds to the self-organized phase by a short light pulse. The second experimental part of this thesis focused on the suppression of the self-organized phase for pump strengths above the critical threshold. To dynamically change the atom-cavity coupling strength, the externally pumped atom-cavity system was extended by a time-periodic amplitude modulation of the pump. This modulation effectively evoked a renormalization of the pump parameters, which not only suppressed the self-organized phase but also restores the coherence in the system. Finally, the understanding of the driven system was used to perform experiments with a modulation frequency close to a parametric resonance of the experimental system. In this scheme, not only the self-organized phase can be suppressed, as for off-resonance modulation, but also additional density wave orders can be excited. The transition between two density gratings of the dynamical density-wave order leads to a dynamic change in the number of atoms in the self-organized order, respectively, the dynamical density wave order, which I investigate.