Negative absolute temperature and the dynamics of quantum phase transitions

In dieser Promotionsarbeit prasentiere ich die erstmalige Realisierung eines Zustands negativer absoluter Temperatur fur bewegliche Teilchen, sowie zusatzlich die detaillierte Untersuchung der Dynamik eines Quantenphasenubergangs. Als Grundlage fur die Experimente dienten uns ultrakalte Atome in optischen Gittern, die durch den Bose-Hubbard Hamilton-Operator beschrieben werden konnen. Das Charakteristikum negativer Temperaturen ist eine invertierte Besetzungsverteilung, bei der Zustande hoher Energien starker besetzt sind als niederenergetische Zustande. Daraus folgt die experimentelle Herausforderung, dass die moglichen Energien des Systems nach oben beschrankt sein mussen. Zum ersten Mal wurden negative Temperaturen in den 1950er Jahren in Bezug auf den Spinfreiheitsgrad von Atomkernen erreicht, welcher ein endliches Spektrum bildet. In dieser Arbeit stelle ich die erstmalige Realisierung von negativen Temperaturen auch fur kinetische Freiheitsgrade vor. Dafur beschrankten wir die kinetische Energie auf ein einzelnes Band des Gitterpotenzials und nutzten die volle Flexibilitat unseres Experiments, bestehend aus rotverstimmten Dipolfallen, blauverstimmten Gitterpotenzialen und einer Feshbach-Resonanz, um die Gesamtenergie des Systems zu limitieren. Durch die Messung der Impulsverteilung konnten wir nachweisen, dass die Atome vor allem Zustande hochster kinetischer Energie besetzen. Das Experiment ermoglicht in Zukunft unter anderem die Untersuchung von Systemen, bei denen der oberste Energiezustand besonders interessante Eigenschaften aufweist. In einem weiteren Experiment untersuchten wir das komplexe dynamische Verhalten an einem Quantenphasenubergang, das auch in der modernen Physik noch nicht vollstandig verstanden ist. Quantenphasenubergange zeichnen sich durch eine fundamentale Anderung von Grundzustandseigenschaften bei Variation eines Parameters aus; Beispiele sind das Auftreten von magnetischer Ordnung oder von Supraleitung als Funktion der Dotierung in Cupraten. In diesem Projekt untersuchten wir den Phasenubergang von Mott-Isolator zu Suprafluid, einen paradigmatischen Vertreter der Quantenphasenubergange, und dabei insbesondere, wie sich Koharenz beim Ubergang vom inkoharenten Mott-Isolator zum phasenkoharenten Suprafluid dynamisch aufbaut. Das komplexe Verhalten, das wir beobachten konnten, geht uber die Vorhersagen existierender analytischer Modelle wie des Kibble-Zurek-Mechanismus' hinaus. Numerische Simulationen eindimensionaler Systeme unserer Kollegen von der FU Berlin stimmen hervorragend mit unseren experimentellen Daten uberein und bestatigen unsere Messungen als zertifizierte Quantensimulation. Unsere umfangreichen Ergebnisse fur unterschiedliche repulsive und attraktive Wechselwirkungen sowie Dimensionalitaten sind ein entscheidender Baustein, um in Zukunft ein tiefergehendes Verstandnis des komplizierten dynamischen Verhaltens an Quantenphasenubergangen zu erreichen.