Probing strongly correlated states of ultracold atoms in optical lattices

This thesis describes experiments which investigate ultracold atom ensembles in an optical lattice. Such quantum gases are powerful models for solid state physics. Several novel methods are demonstrated that probe the special properties of strongly correlated states in lattice potentials. Of these, quantum noise spectroscopy reveals spatial correlations in such states, which are hidden when using the usual methods of probing atomic gases. Another spectroscopic technique makes it possible to demonstrate the existence of a shell structure of regions with constant densities. Such coexisting phases separated by sharp boundaries had been theoretically predicted for the Mott insulating state. The tunneling processes in the optical lattice in the strongly correlated regime are probed by preparing the ensemble in an optical superlattice potential. This allows the time-resolved observation of the tunneling dynamics, and makes it possible to directly identify correlated tunneling processes.

In dieser Arbeit werden Experimente vorgestellt, in denen die Eigenschaften eines ultrakalten atomaren Gases in einem optischen Gitterpotential untersucht werden. Solche Quantengase sind sehr vielseitige Modellsysteme für Phänomene der Festkörperphysik. Um die besonderen Eigenschaften stark korrelierter Zustände in optischen Gittern zu untersuchen, werden neuartige Methoden realisiert, die in dieser Form erstmalig zum Einsatz kommen. So erlaubt es die Spektroskopie des Quantenrauschens in atomaren Ensembles erstmals, die Korrelationen in der räumlichen Dichte eines solchen Zustands sichtbar zu machen. Mittels einer anderen spektroskopischen Technik gelingt es ausserdem, die Existenz getrennter Phasen konstanter Dichte, die sogenannte Schalenstruktur des Mott Isolators, direkt nachzuweisen. Die komplexe Dynamik von Tunnelprozessen im optischen Gitter im stark korrelierten Regime wird durch Einsatz eines optischen Übergitters untersucht. Dadurch ist es möglich, die Tunneldynamik zeitaufgelöst zu erfassen und korrelierte Tunnelprozesse direkt zu beobachten.