KIP publications

year 2022
author(s) Stefan Lannig
title Vector Solitons and Different Scenarios of Universal Dynamics in a Spin-1 Bose-Einstein Condensate
KIP-Nummer HD-KIP 22-86
KIP-Gruppe(n) F17,F20,P2
document type Dissertation
doi https://doi.org/10.11588/heidok.00032047
Abstract (de)

Solitonen sind faszinierende nichtdispersive Lösungen nichtlinearer Systeme, die in verschiedenen Szenarien in der Natur vorkommen. Aufgrund ihrer Stabilität und Langlebigkeit sind diese Anregungen in Nicht- gleichgewichtsszenarien von großem Interesse. In mehrkomponentigen Systemen besitzen Solitonen einen internen Freiheitsgrad, welcher zu einer Vielzahl von Wechselwirkungseffekten beiträgt, die diese Anregungen beson- ders interessant machen. In dieser Arbeit realisieren wir experimentell eine deterministische Erzeu- gung von kohärenten dreikomponentigen Vektorsolitonen in einem quasi- eindimensionalen 87Rb Bose-Einstein-Kondensat. Dazu wird eine lokale Spinrotation mithilfe eines einzelnen Laserstrahls erzeugt. Wir untersuchen die räumlichen Profile und die Bewegung der Solitonen in einer Falle, sowie deren Dynamik bei Soliton-Soliton-Kollisionen. Diese werden durch das analytische Mankov-Modell gut beschrieben. Insbesondere realisieren wir das bemerkenswerte Phänomen der Polarisationsstreuung während Solitonenkollisionen, welches für das mehrkomponentige attrak- tive Mankov-System wohlbekannt ist, in einem Kondensat mit repulsiven Wechselwirkungen. Die Polarisationsdynamik der Vektorsolitonen wird ferner angewandt um Magnetfeldgradienten präzise zu vermessen. In einer zweiten Reihe von Experimenten wird die Nichtgleichgewichtsdynamik infolge eines Wechselwirkungsquenches untersucht. Dazu werden die spontan erzeugten Anregungen, welche von spinverändernden Stößen verursacht werden, charakterisiert. Durch Verwendung mehrerer Solitonen als Anfangsbedingung werden zwei Regime realisiert, in welchen lokalisierte Anregungen entweder zerfallen oder Fluktuationen über lange Zeit bestehen bleiben. In diesen Szenarien wird unterschiedliches dynamisches Skalieren in der Zeitentwicklung beobachtet. Dies weist auf die Existenz von zwei unterschiedlichen nichtthermischen Fixpunkten im Spin-1 Bosegas hin.

Abstract (en)

Solitons are fascinating non-dispersive solutions to non-linear systems, which appear in various scenarios across nature. Because of their stability and longevity these excitations are of great interest in non-equilibrium scenarios. In multi-component systems, the solitons acquire an internal degree of freedom, contributing to a rich variety of interaction effects, which make these excitations particularly interesting. In this work we experimentally realize the deterministic generation of coherent three-component vector solitons in a quasi one-dimensional Bose-Einstein condensate of 87Rb. For this, a local spin rotation is generated with a single laser beam. We investigate the spatial profiles and propagation of the solitons in a trap as well as their dynamics during soliton- soliton collisions. These are found to be well-described by the analytical Manakov model. In particular, we realize the striking phenomenon of ploarization scattering during soliton collisions, known from the attractive multi-component Manakov system, in a repulsively interacting condensate. The polarization dynamics of the vector solitons is further applied in an application to precisely determine magnetic field gradients. In a second set of experiments, the non-equilibrium dynamics following an interaction quench is investigated. For this, the excitations in the transverse spin which are spontaneously generated by spin-changing collisions are characterized. Utilizing multiple solitons as initial condition, two regimes are realized, in which localized excitations either decay or strong fluctuations persist over long times. In these scenarios, two distinct dynamical scaling evolutions are identified. These indicate the presence of two different non-thermal fixed points in the spin-1 Bose gas.

bibtex
@phdthesis{Lannig2022vectorsolitons,
  author   = {Stefan Lannig},
  title    = {Vector Solitons and Different Scenarios of Universal Dynamics in a Spin-1 Bose-Einstein Condensate},
  school   = {Universit├Ąt Heidelberg},
  year     = {2022}
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URL PDF (Uni Heidelberg Library)
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