Atomarer Transport und die Kontrolle von Transportresonanzen in optischen Gitterpotentialen

Der Ratscheneffekt erlaubt es, eine gerichtete Teilchenbewegung mittels einer im zeitlichen Mittel ungerichteten Kraft zu erzeugen. Da die Transporteffizienz und die Transportrichtung eines klassischen Ratschensystems oft von Eigenschaften der Teilchen wie beispielsweise Durchmesser oder Temperatur abhängt, bietet der Ratscheneffekt einen vielversprechenden Ansatz zur Modellierung molekularer Motoren oder zur Teilchenseparation. Durch den Übergang zu quantenmechanischen Systemen werden auch Eigenschaften wie die Spinorientierung der Teilchen zur Separation zugänglich. Die vorliegende Arbeit behandelt die Realisierung einer Quantenkippratsche für ultrakalte Rubidiumatome in einem zeitlich periodisch modulierten optischen Gitterpotential. Die verwendete biharmonische Modulation ermöglicht es, die räumliche und zeitliche Symmetrie des Systems zu brechen und so eine gerichtete Bewegung der Atome zu erzeugen. Für den Quantentransport der Kippratsche werden zugrunde liegende Transportsymmetrien und Abhängigkeiten wie zum Beispiel die Abhängigkeit vom Startzeitpunkt der Modulation vorhergesagt, welche im Rahmen der Arbeit experimentell untersucht und bestätigt werden. Unter Variation eines Kontrollparameters der Modulation wird eine resonante Verstärkung des atomaren Transports beobachtet, welche auf die Kopplung zwischen Floquet-Zuständen zurückzuführen ist und daher mit einer vermiedenen Kreuzung im Floquet-Spektrum zusammenfällt. Dieser Transportmechanismus führt unter Variation eines zweiten Kontrollparameters der Modulation zu einer Bifurkation der Transportresonanz aufgrund der Entkopplung der Floquet-Zustände. Die Bifurkation einer Transportresonanz wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals experimentell beobachtet. Die Messergebnisse und ergänzende numerische Simulationen demonstrieren die Kontrollierbarkeit des kohärenten Quantentransports ultrakalter Atome in diesem System. Da zur Realisierung der Quantenkippratsche eine einfache optische Stehwelle genügt, ist es in zukünftigen Arbeiten möglich, fernverstimmte optische Gitterpotentiale zu verwenden, so dass entsprechend lange Kohärenzzeiten erreicht werden können. Dies sollte die Verwirklichung von Quantenratschen im stark korrelierten Bereich ermöglichen

Real-space imaging of a topological protected edge state with ultracold atoms in an amplitude-chirped optical lattice

Topological states of matter, as quantum Hall systems or topological insulators, cannot be distinguished from ordinary matter by local measurements in the bulk of the material. Instead, global measurements are required, revealing topological invariants as the Chern number. At the heart of topological materials are topologically protected edge states that occur at the intersection between regions of different topological order. Ultracold atomic gases in optical lattices are promising new platforms for topological states of matter, though the observation of edge states has so far been restricted in these systems to the state space imposed by the internal atomic structure. Here we report on the observation of an edge state between two topological distinct phases of an atomic physics system in real space using optical microscopy. An interface between two spatial regions of different topological order is realized in a one-dimensional optical lattice of spatially chirped amplitude. To reach this, a magnetic field gradient causes a spatial variation of the Raman detuning in an atomic rubidium three- level system and a corresponding spatial variation of the coupling between momentum eigenstates. This novel experimental technique realizes a cold atom system described by a Dirac equation with an inhomogeneous mass term closely related to the SSH-model. The observed edge state is characterized by measuring the overlap to various initial states, revealing that this topological state has singlet nature in contrast to the other system eigenstates, which occur pairwise. We also determine the size of the energy gap to the adjacent eigenstate doublet. Our findings hold prospects for the spectroscopy of surface states in topological matter and for the quantum simulation of interacting Dirac systems