This thesis describes the development of a relatively novel technique for the gen- eration and subsequent trapping of cold species. Molecules in a pulsed supersonic expansion are photolysed, such that the centre-of-mass velocity vector of one of the fragments is equal in magnitude but opposed in orientation to the lab-frame velocity of the precursor molecule. This technique, known as ‘Photostop’, leaves a fraction of the fragments with a narrow velocity distribution, centered around zero velocity in the lab-frame. They can be shown to have zero velocity by changing the time between photodissociation and ionisation; fragments with a high kinetic energy will leave the ionisation volume prior to interrogation. The underlying velocity distribu- tion is uncovered by using the velocity-map imaging technique, and the temperature of the fragments can be determined. The method was originally optimised for the molecular case. Cold NO has been produced from the dissociation of NO₂ molecules, and a single rotational state has been shown to remain in the ionisation volume 10 μs after dissociation, implying a sample temperature of 1.17 K. Using the optimised experimental conditions de- rived from the velocity cancellation of NO, the atomic case is demonstrated for the dissociation of Br₂ to give zero-velocity Br fragments. The Br atoms are seen for delay times in excess of 100 μs, showing the greater applicability of the method to the atomic case. The temperature of the residual atoms is shown to be in the milliKelvin regime, as determined through detailed Monte Carlo simulation of the motion of the stopped atoms. The possibility of trapping the ultracold Br atoms in a magnetic field is explored, and a quadrupolar trap created between two per- manent bar magnets is demonstrated to confine the atoms spatially, within the ion extraction optics, for delays in excess of 1 ms. The Photostop technique is intended to be a stepping stone on the way to widening the number of chemical species available for study in the ultracold regime. The possibility of improvements to the experiment is considered, in order to increase the efficiency of the experiment such that the number density becomes high enough to be viable as a source of atoms for use in cold chemical reactive studies. The possibility of extending the method so as to be used as a tunable velocity source of atoms is also discussed.

This thesis describes the development of a new experimental technique for studying tunable-collision-energy, quantum state-selected, low-temperature ion-molecule reactions. This has been achieved through the combination of a Stark decelerator for neutral dipolar molecules, and a linear Paul ion trap. The Stark deceleration process for ND₃ was examined in detail, through the analysis of experimental data in combination with newly written molecular dynamics simulation programs. In order to prepare a sample of molecules appropriate for collision studies, additional beamline components were introduced after the decelerator. These components were: two hexapoles, to provide transverse focussing, maximising the molecular density; a molecular buncher, providing increased longitudinal velocity resolution; and a fast-opening shutter, to separate decelerated molecules from undecelerated molecules. The sympathetic-cooling of Xe⁺ ions and ND⁺₃ ions by laser-cooled, Coulomb crystallised ⁴⁰Ca⁺ ions with the ion trap was also studied. In particular, the stable trapping of Xe⁺ was demonstrated for the first time, and the experimental developments that led to this are discussed. The work in this thesis represents significant progress towards studying the reaction of tunable-energy ND₃ in the |j,mk> = |1,−1> quantum state with cold Xe⁺ ions. Ion-molecule reactions utilising ND₃ molecules electrostatically guided through the Stark decelerator were performed. It was observed that the main source of error in these experiments was in the calculation of the initial number of Xe⁺ ions that had been sympathetically cooled into the Coulomb crystal. The sensitivity of the crystal morphology to the number of Xe⁺ ions was evaluated using molecular dynamics simulations. Strategies have been developed to reduce this uncertainty in future studies. In addition to experimental work, the theory of low temperature ion-molecule reactions has been developed further. The temperature at which classical and quantum mechanical calculations diverge due to purely statistical effects has been investigated using different model intermolecular potentials, for closed-shell and open-shell species, and in the ground and rotationally excited states. From the results of these calculations, several promising candidate reactions have been suggested that might exhibit statistical quantum behaviour at experimentally achievable temperatures.

Heutzutage können ultrakalte Atome in unterschiedlichsten optischen Fallenpotenzialen eingefangen werden, während sich ihre Wechselwirkung durch die Ausnutzung von magnetischen Feshbachresonanzen kontrollieren lässt. Der Einschluss und die resonante Wechselwirkung können zu einer starken Korrelation der Atome führen, welche es erlaubt, mit ihnen physikalische Phänomene zu simulieren, deren Simulation mit heutigen Computern nicht durchführbar wäre. Eine maßgeschneiderte Kontrolle der Korrelationen könnte es schließlich ermöglichen, mit ultrakalten Atomen einen Quantencomputer zu implementieren. Um die Flexibilität und gute Kontrollierbarkeit ultrakalter Atome voll ausnutzen zu können, ist das Ziel dieser Dissertation die präzise theoretische Beschreibung stark korrelierter, eingeschlossener Atome an einer Feshbachresonanz. Das Wechselspiel zwischen dem Einschluss der Atome und einer Feshbachresonanz wird in dieser Arbeit zunächst anhand eines von Grund auf hergeleiteten analytischen Modells einer Feshbachresonanz zwischen Atomen in einer harmonischen Falle untersucht. Basierend auf diesem Modell wird ein Ansatz entwickelt, wechselwirkende Atome an einer Feshbachresonanz in einem optischen Gitter über ein Bose-Hubbard-Modell zu beschreiben. Im Gegensatz zu aufwendigeren numerischen Methoden erlaubt das Bose-Hubbard-Modell mit der Einbeziehung nur weniger Blochbänder die präzise Vorhersage der Eigenenergien und des dynamischen Verhaltens der Atome im optischen Gitter. Weiterhin wird eine Methode zur Lösung der zeitabhängingen Schrödingergleiung für zwei wechselwirkende Atome in einem dynamischen optischen Gitter entwickelt. Schließlich wird ein Ansatz vorgestellt, wie sich mit ultrakalten Atomen in einem dynamischen optischen Gitter ein Quantencomputer implementieren ließe. Als Quantenregister dient der korrelierte Mott-Zustand von repulsiv wechselwirkenden Atomen. Quantenoperationen werden durch periodisches Wackeln des optischen Gitters getrieben. / Today, ultracold atoms can be confined in various optical trapping potentials, while their mutual interaction can be controlled by magnetic Feshbach resonances. The confinement and resonant interaction can lead to a strong correlation of the atoms, which allows for the quantum simulation of physical phenomena whose classical simulation is computationally intractable. A tailored control of these correlations might eventually enable the implementation of a quantum computer with ultracold atoms. In order to take advantage of the flexibility and precise control of ultracold atoms, this thesis aims to provide a precise theoretical description of strongly correlated, confined atoms at a magnetic Feshbach resonance. The interplay between the confinement of the atoms and the Feshbach resonance is investigated by deriving from first principles a model that enables the complete analytic description of harmonically trapped ultracold atoms at a Feshbach resonance. This model is subsequently used to develop a Bose-Hubbard model of atoms in an optical lattice at a Feshbach resonance. In contrast to more elaborate numerical calculations, the model can predict the eigenenergies and the dynamical behavior of atoms in an optical lattice with high accuracy including only a small number of Bloch bands. Furthermore, a method id developed that solves the time-dependent Schrödinger equation for two interacting atoms in a dynamic optical lattice. Finally, a proposal for the implementation of a quantum computer with ultracold atoms in a dynamic optical lattice is presented. It utilizes the correlated Mott-insulator state of repulsively interacting atoms as a quantum register. Quantum operations are driven by a periodic shaking of the optical lattice.

Die ultrakalte Atom- und Molekülephysik, zu welcher man zum Beispiel bei der Bose-Einstein-Kondensation von verdünnten Gasen Zugang hat, wurde untersucht. In solchen Systemen dominieren Zwei-Körper-Stöße und ihre detaillierte Untersuchung ist eines der zentralen Themen dieser Arbeit. Diese wurden durchgeführt unter Berücksichtigung von elementaren chemischen Reaktionen, Photoassoziation und magnetischen Feshbach-Resonanzen. Weiterhin wurden Untersuchungen von Atomen in optischen Gittern durchgeführt. Die Viel-Teilchen-Systeme wurden nicht nur mit dem üblichen mean-field Ansatz behandelt, sondern auch darüber hinausgehend, um die voll korrelierte Bewegung zu simulieren. / The ultracold atomic and molecular physics as it is accessible, e.g., in Bose-Einstein condensates of dilute gases was investigated. In such systems two-body collisions are dominant and their detailed study is one of the central topics of this work. They were done considering elementary chemical reactions as photoassociation, and magnetic Feshbach resonances. Additionally, studies of atoms in optical lattice sites were carried out. The many-body systems were not only considered within the usually adopted mean-field approach but also beyond that in order to simulate the fully correlated motion.

Dans ce travail de thèse, je présente la construction d’une nouvelle expérience pour la production de gaz ultra froids de dysprosium. En tirant parti de la structure électronique à couche incomplète de ces atomes, nous visons à la réalisation de champs de jauge synthétiques, qui pourront conduire à l’observation de nouvelles phases (topologiques) de la matière. Le couplage du spin atomique avec le champ lumineux, plus efficace que pour des atomes alcalins, permettra d’atteindre des régimes d’interactions fortes qui restent, jusqu’à présent, hors de portée expérimentale. J’adapte des protocoles existants pour la réalisation de champs de jauge dans le cas de Dysprosium, en tenant compte de son grand spin électronique (J = 8 dans l’état fondamental). En outre, le dysprosium a le plus grand moment magnétique parmi les éléments stables, et il est donc le meilleur candidat pour l’étude des gaz dipolaires. Je détaille le dispositif expérimental que nous avons construit et comment nous effectuons le piégeage et le refroidissement du dysprosium. Nous étudions en détail le comportement du piège magnéto-optique, qui est réalisé sur la transition d’intercombinaison ¹S₀ ↔ ³P₁. La raie étroite et le grand spin rendent l’opération du piège très complexe. Néanmoins, je montre que sa compréhension devient assez simple dans le régime où le nuage se polarise spontanément en conséquence de la combinaison des forces optiques et gravitationnelles. Enfin, je décris les dernières étapes du transport optique et de l’évaporation, ce qui conduira à la production d’un gaz dégénéré. / In this thesis I present the construction of a new experiment producing ultra cold gases of Dysprosium. Using the favourable electronic structure of open-shell lanthanide atoms, we aim at the realisation of laser-induced synthetic gauge fields, which could lead to the observation of novel (topological) phases of matter. The coupling of the atomic spin with the light field, improved with respect to alkali atoms, opens the possibility to explore strongly interacting regimes that were up to now out of experimental reach. I adapt existing protocols for the implementation of gauge fields to the case of Dysprosium, taking into account its large electronic spin (J = 8 in the ground state). Moreover, Dysprosium has the largest magnetic moment among the stable elements, and is the best candidate for the study of dipolar gases. I describe the experimental setup that we built and how we perform the trapping and cooling of Dysprosium. We study in detail the behaviour of the magneto-optical trap, which is performed on the ¹S₀ ↔ ³P₁ intercombination line. The narrow linewidth and the large spin make the trap operation quite challenging. Nevertheless, I show that its understanding becomes quite simple in the regime where the cloud spontaneously polarises due to the interplay of optical and gravitational forces. Finally, I describe the last steps of optical transport and evaporation, which will lead to the production of a degenerate gas.

Cette thèse a pour objet l’étude des effets de cohérence de la propagation d’ondes en milieu désordonné, à l’aide d’atomes ultrafroids. Ces systèmes permettent un contrôle précis de paramètres clés, tels que la dimensionnalité, les interactions, la vitesse initiale des atomes et le potentiel externe. Utilisant cette flexibilité, il a été possible de réaliser des expériences en régime fortement et faiblement localisé. La première expérience traite de l’expansion d’un condensat, dont une fraction maximale de 20% est localisée, permettant ainsi l’observation de la localisation d’Anderson en 3D. Lors de la seconde expérience, les atomes ont été envoyés dans un désordre quasi 2D avec une vitesse initiale bien définie. Il a été possible d’observer la distribution en impulsions des atomes, et ainsi de mesurer le temps de libre parcours moyen et le temps de transport. La rétrodiffusion cohérente s’est clairement manifestée sous la forme d’un pic dans la direction opposée à la direction initiale. L’amplitude et la largeur de ce pic ont été étudiées, et les résultats sont en accord avec la théorie. Microscopiquement, la rétrodiffusion cohérente a pour origine l’interférence constructive entre chemins à diffusions multiples symétriques par renversement du temps (symétrie T). Cette symétrie de la propagation d’ondes a été ensuite manipulée. Un déphasage précis a été introduit grace à un pulse de gradient de champ magnétique, qui détruit la symétrie T ainsi que la rétrodiffusion cohérente, sauf pour un bref instant : une résurgence du pic est alors observée. Ce nouvel effet démontre explicitement le rôle de la cohérence et de la symétrie T dans la localisation faible. / In this manuscript the coherence effects of wave propagation in disordered potentials is studied. Our experiment uses ultracold atoms as a probe, a system allowing for a very good control over parameters such as the dimensionality, interactions, initial velocity of the atoms, and the potential landscape. Exploiting this flexibility we were able to perform experiments in the strongly and the weakly localized regime. In the former the 3D expansion of a BEC was monitored in real space, resulting in the observation of 3D Anderson localization with a maximum localized fraction of about 20%. In the latter the atoms were launched into a quasi-2D disorder with a well defined initial velocity. Monitoring the momentum space distribution the mean scattering time and the transport time can be directly measured, and coherent backscattering (CBS) is clearly visible as a peak in the backwards direction. In a first set of experiments the evolution of the CBS amplitude and width were recorded and found to be in good agreement with theory. Microscopically, CBS stems from the constructive interference of time-reversed multiply scattered paths. In a second set of CBS experiments we manipulated the time-reversal symmetry (TRS) of the wave propagation. A surgical dephasing was introduced via a shortly pulsed gradient field, which brakes TRS and suppresses CBS except for a brief moment, when a revival of CBS is observed. This novel effect showcases explicitly the role of coherence and TRS in Coherent Backscattering and weak localization.

Die Dynamik anfänglich aus dem Gleichgewicht gebrachter wechselwirkender Quantenvielteilchensysteme wirft aktuell noch spannende Fragen auf. In Bezug auf die Thermalisierung ist z.B. nach wie vor ungeklärt, in welcher Form sie überhaupt stattfindet und in welchen Observablen bzw. auf welcher Zeitskala sie zu beobachten ist. Eine ideale Grundlage zur Erforschung von Relaxationsdynamiken in wechselwirkenden Vielteilchensystemen bieten ultrakalte Quantengase aufgrund ihrer guten Kontrollier- und Variierbarkeit. Ein allgemeiner theoretischer Rahmen, auf dessen Basis solche Prozesse zu untersuchen sind, steht jedoch infolge der großen Anzahl der beteiligten Freiheitsgrade bisher nicht zur Verfügung. Für ultrakalte bosonische Gase stellt die Gross-Pitaevskii-Gleichung eines der wichtigsten theoretischen Werkzeuge dar, eine klassische Feldgleichung für die Kondensatwellenfunktion in Molekularfeldnäherung. Die ihr zugrunde liegende Näherung erlaubt jedoch keine nicht-trivialen Aussagen über den vollen N-Teilchenzustand, dessen Kenntnis für die Untersuchung einer möglichen Relaxationsdynamik unabdingbar ist. Um der theoretischen Beschreibung des vollen bosonischen Feldes einen Schritt näher zu kommen, untersucht die vorliegende Arbeit die Anwendung semiklassischer Methoden auf ultrakalte Bosegase. Diese sind in der Regel dann sehr genau, wenn die beteiligten Wirkungen groß gegenüber dem Planckschen Wirkungsquantum sind. Für bosonische Felder wird dieser Grenzfall durch die Bedingung einer großen Teilchenzahl ersetzt. Die immense Anzahl an Teilchen in den hier behandelten Vielteilchensystemen macht die Anwendung semiklassischer Methoden auf diesem Gebiet also vielversprechend. Als zentrales Modellsystem wird ein anfänglich aus dem Gleichgewicht gebrachtes ultrakaltes bosonisches Doppelmuldensystem betrachtet, das eine hochinteressante Dynamik aufweist, die auf das Wechselspiel der Tunneldynamik einerseits und der Wechselwirkung der Teilchen untereinander andererseits zurückzuführen ist. Als Referenz lassen sich aufgrund der speziellen Fallengeometrie im Rahmen der Zwei-Moden-Näherung die Ergebnisse einer numerisch exakten Untersuchung heranziehen. Durch den Einsatz der namhaften WKB-Quantisierung und des besonders aus der Molekülphysik bekannten Reflexionsprinzips wird hier ein geschlossener analytischer Ausdruck für die sogenannte Populationsdifferenz im Doppelminimum hergeleitet, der ausschließlich von den wenigen relevanten Systemparametern abhängt. Diese mächtige Formel erlaubt es nun zum ersten Mal, in quantitativer Weise die charakteristische Sequenz aus Oszillationen, Kollapsen und Revivals in Abhängigkeit der vorausgesetzten Parameter zu untersuchen. Nach dieser ersten erfolgreichen Anwendung semiklassischer Methoden im Modellsystem wird über die reduzierte Dynamik der Populationsdifferenz hinausgegangen. Mithilfe des semiklassischen Herman-Kluk-Propagators lässt sich selbst der volle N-Teilchenzustand untersuchen. Da es letztlich um die Beschreibung ultrakalter Bosonen in beliebigen Potentialen gehen soll, wird zunächst der Herman-Kluk-Propagator für eine Feldtheorie vorgestellt. Im Doppelmuldensystem zeigt sich dann in der Anwendung die semiklassische Propagation in der Lage, für alle untersuchten Parameterregime gute Übereinstimmung mit den numerisch exakten Ergebnissen zu liefern. Zusätzlich findet ein Abgleich der Resultate mit der Truncated Wigner Approximation statt, auf die im Forschungsgebiet ultrakalter Bosonen häufig zurück gegriffen wird. Diese beschreibt die Zeitentwicklung einer Wignerverteilung unter Aussparung der Quanteninterferenzen. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Herman-Kluk-Propagation unter Berücksichtigung der Phasen weit über die Truncated Wigner Approximation hinausgeht: Sie gibt alle wichtigen Charakteristika der Dynamik im Doppelmuldensystem wieder. Um die Semiklassik auf ihre Aussagefähigkeit in Bezug auf eine noch komplexere Dynamik zu untersuchen, wird zum Abschluss das Drei-Topf-System betrachtet, das zusätzlich chaotische Regionen im Phasenraum aufweist. Auch hier zeigt sich, dass die semiklassische Berücksichtigung der Phasen die Truncated Wigner Approximation in den Schatten stellt. Allerdings ergeben sich durch die Instabilität der Trajektorien für stark chaotische Regime numerische Probleme, die es in der Zukunft zu lösen gilt. / The dynamics of initially non equilibrium interacting quantum many body systems is an ongoing and interesting field of research. It is still an open question in which form relaxation occurs in such systems, and in which observables and on which timescales a possible thermalization might appear. A perfect playground for the investigations of relaxation dynamics in interacting many body schemes is provided by ultracold quantum gases, which are easily to be controlled and varied in experiments. However, a general theoretical framework for the investigation of such processes is still missing, due to the huge amount of involved degrees of freedom. One of the main theoretical tools in the field of ultracold bosonic gases represents the famous Gross-Pitaevskii equation, a field equation for the Bose-Einstein condensate wave function in terms of a mean-field approximation. However, the underlying approximation prevents the possibility to draw non-trivial conclusions about the full N-particle state, the information of which is necessary for the analysis of relaxation processes. To gain the theoretical description of the full bosonic field, the present thesis deals with the application of semiclassical methods to ultracold boson gases. Those techniques become in general exact, as long as the involved actions are large compared to Planck's constant. For many body systems it turns out that semiclassics are expected to give good results also for the condition of high particle numbers, which is precisely fulfilled in these schemes, making the semiclassical approaches promising. As an essential model system an initially out of equilibrium ultracold bosonic double-well system is investigated. This configuration provides highly interesting dynamics due to the interplay of the tunneling dynamics on the one hand and the interaction amongst the particles on the other. The special trap geometry makes exact numerical calculations in the framework of the two-mode approximation available, which serve in the following as reference data. By applying the common semiclassical WKB approximation and the reflection principle known from molecule physics, a closed analytical expression for the so-called population imbalance of the bosons in the double-well is derived, depending only on the few relevant system parameters. This mighty formula allows for the first time the quantitative investigation of the characteristic sequence consisting of oscillations, collapse and revivals in dependence on the parameters of the system. Since the semiclassical approaches succeeded for the double-well model so far the so-called Herman-Kluk propagator is adopted, to go beyond the reduced dynamics of the population imbalance. The propagator provides the possibility to treat the full N-particle state theoretically and is introduced for the most general case of a bosonic quantum field. Its application to the double-well system yields for all investigated parameter regimes very good agreement with the numerical exact results. Furthermore the outcomes are compared to the Truncated Wigner approximation, which is frequently used in the research field of ultracold bosons. This approach pictures the time evolution of a Wigner distribution, without taking into account the quantum interferences. In the present thesis it is shown that the Herman-Kluk propagation goes clearly beyond the truncated Wigner approach by considering in addition the quantum phases: The propagator is able to reproduce all of the distinctive features of the double-well dynamics. In order to test the performance of semiclassical methods in matters of even more complex systems, the ultracold bosonic triple-well model is finally considered, which exhibits unlike the double-well scheme chaotic regions in phase space. It turns out that the semiclassical propagation outplays again the truncated Wigner approximation. On the other hand the instability of the highly chaotic trajectories causes numerical problems, which have to be solved in the future.

Typischerweise sind Plasmen extrem heiß - diese hohen Energien sind nötig, um die Ionisationsschwelle der Atome zu überwinden und damit einen stabilen Plasmazustand zu gewährleisten. Folglich werden die physikalischen Eigenschaften dieser Plasmen für gewöhnlich durch die thermischen Energie der Plasmateilchen bestimmt, während Korrelationen zwischen den Ladungen eine untergeordnete Rolle spielen. Durch die rasanten Fortschritte auf dem Gebiet der ultrakalten Gase ist es jedoch ebenso möglich, Plasmen bei extrem tiefen Temperaturen zu erzeugen, indem lasergekühlte Atome photoionisiert werden. In diesen ultrakalten Plasmen (UKP) lassen sich aufgrund der niedrigen Temperaturen bereits deutliche Auswirkungen von Korrelationen beobachten, die zu gänzlich anderer Dynamik führen können als aus dem Bereich der heißen schwach gekoppelten Plasmen bekannt. Ähnliche Prozesse werden auch in dichten Plasmen beobachtet, in denen durch extrem kurzen Teilchenabstände die Wechselwirkungsenergie auch bei Temperaturen von über 10000 Kelvin die kinetische Energie dominiert. Dichte Plasmen spielen eine wichtige Rolle für technische Anwendungen wie die Trägheitsfusion. Im Gegensatz zu diesen dichten Plasmen realisieren UKP starke Korrelationen jedoch bei sehr viel geringen Dichten von ρ ∼ 10^9 cm^{−3} . Die daraus resultierende langsame Dynamik ist experimentell wesentlich besser zugänglich und macht diese System deshalb besonders interessant, um Korrelationseffekte in stark gekoppelten Plasmen zu studieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Effekten von starken Korrelationen auf verschiedene Relaxationsprozesse, die insbesondere, aber nicht ausschließlich in UKP eine bedeutende Rolle spielen. Neben dem fundamentalen Interesse an diesen Prozessen gilt ein Augenmerk auch möglichen experimentellen Tests der getroffenen Vorhersagen. Da die Theorie der schwach gekoppelten Plasmen Korrelationen größtenteils vernachlässigt, ist sie im Regime der UKP nur eingeschränkt anwendbar. Zur Berücksichtigung der starken Korrelationen werden in dieser Arbeit umfangreiche molekulardynamischen Simulationen eingesetzt, die teilweise mit quantenmechanischen Beschreibungen kombiniert werden, um den in UKP relevanten atomphysikalischen Aspekten gerecht zu werden. Im Rahmen dieser Rechnungen wird zunächst die seit langem ungeklärte Frage der Atombildung bei tiefen Temperaturen beantwortet. Dieser Prozess ist für UKP besonders relevanten, da die Rekombination die Lebensdauer des Plasmas bestimmt. Die konventionelle Theorie für Rekombination basiert auf der Annahme von von isolierten Drei-Körper-Stößen. Die daraus resultierende Rate divergiert mit abnehmender Temperatur und verliert daher ihre Gültigkeit im ultrakalten Bereich. In dieser Arbeit wird die Beschreibung der Rekombination mit Hilfe aufwendiger Vielteilchen-Simulationen auf den stark gekoppelte Bereich ausgebaut. Hierbei zeigt sich, dass die Rekombinationsrate im Bereich tiefer Temperaturen auf einen konstanten Wert konvergiert, so dass das Problem der divergierenden Rate gelöst werden kann. Ein weiteres, seit langem kontrovers diskutiertes Problem, stellt die Relaxation aufgrund von elastischen Stößen in stark gekoppelten Plasmen dar. Auch hier gilt, dass die konventionelle Theorie für heiße Plasmen, die auf Landau und Spitzer zurückgeht, aufgrund der Vernachlässigung von Korrelationen im Regime starker Kopplung unzureichend wird. Bisher waren keine experimentellen Ergebnisse verfügbar, um die verschiedenen Vorschläge zur Erweiterung der Landau-Spitzer-Beschreibung auf den stark gekoppelten Bereich zu beurteilen. In enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. T. C. Killian (Rice University, Houston, USA) können im Rahmen dieser Arbeit nun erstmals Relaxationsraten in stark gekoppelten Plasmen gemessen werden. Dazu wird mittels eines Pump-Probe-Verfahren die Relaxation der ionischen Geschwindigkeitsverteilung in UKP beobachtet. In dieser Arbeit konnte eine Methode zur Interpretation der experimentellen Daten entwickelt und durch semiklassische Simulationen der Parameterbereich enorm erweitert werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Landau-Spitzer-Theorie bereits bei geringen Kopplungsstärken deutliche Defizite aufweist und liefern erstmalig Vorhersagen im stark gekoppelten Bereich. Bei der Untersuchung der ionischen Relaxation wird deutlich, dass insbesondere experimentelle Ergebnisse bei hohen Kopplungsstärken von Interesse sind. Derzeit sind typische UKP-Experimente jedoch auf mäßige Kopplungsstärken limitiert. Ursache hierfür ist, dass das Plasma in einem Zustand weit entfernt vom Gleichgewicht erzeugt wird. Bei der Relaxation ins Gleichgewicht kommt es zu einer Ausbildung von Korrelationen und damit zu einer Umwandlung von potentieller in kinetische Energie. In dieser Arbeit wird deshalb ein neues Plasmaherstellungsverfahren vorgeschlagen, das für die Ionen dieses „Korrrelationsheizen“ stark unterdrücken kann. Durch eine kollektive Anregung kalter Atome in Rydberg-Zustände werden vor der Photoionsation der Atome Korrelationen im atomaren Gas induziert. Es wird gezeigt, dass diese Korrelationen durch eine selektive Ionisation der Rydberg-Atome mit Hilfe von Mikrowellen an das Plasma weitergegeben werden können. Dadurch verringert sich das Korrelationsheizen und eröffnet neue Perspektiven für Untersuchungen ultrakalter Plasmen tief im stark gekoppelten Regime.

This thesis describes the measurements of collective effects in strongly coupled ultra-cold neutral plasmas (UNPs). It shows the implementation of experimental techniques that perturb either the density or velocity distribution of the plasma and it describes the subsequent excitation, observation and analysis of the aforementioned collective phenomena. UNPs are interesting in that they display physics of strongly coupled systems. For most plasma systems, collective effects are well described with classical hydrodynamic or kinetic descriptions. However, for strongly coupled systems, the Coulomb interaction energy between nearest neighbors exceeds the kinetic energy, and these descriptions must be modified as the plasma crosses over from a gas-like to liquid-like behavior. Strongly coupling can be found in exotic plasma systems found astrophysics, dusty plasmas, non-neutral trapped ion plasmas, intense-laser/matter interactions and inertial confinement fusion experiments. Compared to other strongly coupled plasmas, UNPs are ideal for studying collective effects in this regime since they have lower timescales, precisely controllable initial conditions and non-invasive diagnostics. Previous studies of UNPs concentrated on plasma expansion dynamics and some collective effects such as disorder induced heating, but little work had been done in relaxation or collision rates and collective modes in UNPs. This thesis presents a method for measuring collision rates by perturbing the velocity distribution of the plasma, observing plasma relaxation and measuring the relaxation rate. It also presents a new technique for observing collective modes in the plasma by perturbing the initial density of the plasma and how this results in the excitation of ion acoustic waves and a measurement of its dispersion relation. Finally, this thesis presents how this last technique can be used to create a gap in the center of the plasma and how this leads to hole propagation and plasma streaming and presents a characterization of both phenomena. The result of these experiments will be valuable for predicting the behavior of collective effects in other strongly coupled plasmas and for comparison with theories that describe them.

Ultracold Fermi gas is an exciting field benefiting from atomic physics, optical physics and condensed matter physics. It covers many aspects of quantum mechanics. Here I introduce some of my work during my graduate study. We proposed an optical spectroscopic method based on electromagnetically-induced transparency (EIT) as a generic probing tool that provides valuable insights into the nature of Fermi paring in ultracold Fermi gases of two hyperfine states. This technique has the capability of allowing spectroscopic response to be determined in a nearly non-destructive manner and the whole spectrum may be obtained by scanning the probe laser frequency faster than the lifetime of the sample without re-preparing the atomic sample repeatedly. Both quasiparticle picture and pseudogap picture are constructed to facilitate the physical explanation of the pairing signature in the EIT spectra. Motivated by the prospect of realizing a Fermi gas of 40 K atoms with a synthetic non-Abelian gauge field, we investigated theoretically BEC-HCS crossover physics in the presence of a Rashba spin-orbit coupling in a system of two-component Fermi gas with and without a Zeeman field that breaks the population balance. A new bound state (Rashba pair) emerges because of the spin-orbit interaction. We studied the properties of Rashba pairs using a standard pair fluctuation theory. As the two-fold spin degeneracy is lifted by spin-orbit interaction, bound pairs with mixed singlet and triplet pairings (referred to as rashbons) emerge, leading to an anisotropic superfluid. We discussed in detail the experimental signatures for observing the condensation of Rashba pairs by calculating various physical observables which characterize the properties of the system and can be measured in experiment. The role of impurities as experimental probes in the detection of quantum material properties is well appreciated. Here we studied the effect of a single classical impurity in trapped ultracold Fermi superfluids. Although a non-magnetic impurity does not change macroscopic properties of s-wave Fermi superfluids, depending on its shape and strength, a magnetic impurity can induce single or multiple mid-gap bound states. The multiple mid-gap states could coincide with the development of a Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) phase within the superfluid. As an analog of the Scanning Tunneling Microscope, we proposed a modified radio frequency spectroscopic method to measure the focal density of states which can be employed to detect these states and other quantum phases of cold atoms. A key result of our self consistent Bogoliubov-de Gennes calculations is that a magnetic impurity can controllably induce an FFLO state at currently accessible experimental parameters.