Die Arbeit beschäftigt sich mit der Dynamik von Gasen aus hoch angeregten Atomen. Es wird sowohl die Erzeugung von Rydberggasen, als auch ihre Dynamik nach der Laser-Anregung betrachtet. Zur Beschreibung des Anregungsprozesses wird ein quasi-klassischer Zugang verwendet. Er basiert auf der adiabatischen Eliminierung von Kohärenzen aus der vollen Quanten-Beschreibung und führt auf eine klassische Mastergleichung. Diese Näherung ist gerade für typische experimentelle Situationen durchführbar. Die klassische Mastergleichung kann durch ein simples Monte-Carlo-Verfahren für Systeme aus zehntausenden von Teilchen unter voller Berücksichtigung der Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung gelöst werden. Mit Hilfe des Monte-Carlo-Verfahrens wird die Anregung von Rydbergatomen in einem ultrakalten Gas untersucht. Die in Experimenten gefundene Anregungsblockade wird durch die Methode gut beschrieben. Bei der Anregung von Rydbergatomen aus einem optischen Gitter wird sogar eine Anregungsverstärkung - eine Antiblockade - vorhergesagt. Die Antiblockade in einem Gitter erlaubt eine Charakterisierung räumlicher Korrelationen der Rydbergatome allein durch die Messung ihrer Dichte. Sie ist robust gegenüber Gitterfehlstellen und sollte mit heutigen experimentellen Techniken nachweisbar sein. Für die Anregung im ungeordneten Gas wird gezeigt, dass sich die räumlichen Korrelationen der Rydbergatome indirekt in den Momenten der Häufigkeitsverteilung angeregter Atome widerspiegeln. Durch die Untersuchung der Fluktuationen in der Zahl angeregter Atome lassen sich die Unterschiede in den Paarkorrelationsfunktionen bei Blockade und Antiblockade im Gas messen. Ein Vergleich mit experimentellen Daten zeigt eine qualitativ gute Übereinstimmung. Für die Dynamik des Rydberggases nach dem Abschalten der Anregungslaser ist der Fall besonders interessant, dass Atome in unterschiedlichen Rydbergzuständen resonant ihre Anregungsenergie austauschen können. In der Arbeit wird argumentiert, dass sich der räumliche Transfer von Anregungsenergie in Rydbergsystemen ohne störende Umgebungseinflüsse gezielt untersuchen lässt. Mit Hilfe der Frenkelschen Exziton-Theorie wird der Energietransfer entlang einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen untersucht. Zusätzlich wird dargelegt, dass die exzitonische Anregung auch mechanische Kräfte auf die Rydbergatome induziert. Diese werden mit Hilfe einer quanten-klassischen Methode analysiert. Der Zusammenhang der auftretenden Kräfte mit den Symmetrien der exzitonischen Eigenfunktionen wird aufgezeigt. In einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen wird ein adiabatischer Energietransfer vorhergesagt, der an die Bewegung der Atome gebunden ist. Er läuft vollständig auf einer einzigen adiabatischen Potentialfläche ab. Dieser Transport ist langsam genug, um mit heutigen experimentellen Methoden im Prinzip orts- und zeitaufgelöst abgebildet zu werden.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Dynamik von Gasen aus hoch angeregten Atomen. Es wird sowohl die Erzeugung von Rydberggasen, als auch ihre Dynamik nach der Laser-Anregung betrachtet. Zur Beschreibung des Anregungsprozesses wird ein quasi-klassischer Zugang verwendet. Er basiert auf der adiabatischen Eliminierung von Kohärenzen aus der vollen Quanten-Beschreibung und führt auf eine klassische Mastergleichung. Diese Näherung ist gerade für typische experimentelle Situationen durchführbar. Die klassische Mastergleichung kann durch ein simples Monte-Carlo-Verfahren für Systeme aus zehntausenden von Teilchen unter voller Berücksichtigung der Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung gelöst werden. Mit Hilfe des Monte-Carlo-Verfahrens wird die Anregung von Rydbergatomen in einem ultrakalten Gas untersucht. Die in Experimenten gefundene Anregungsblockade wird durch die Methode gut beschrieben. Bei der Anregung von Rydbergatomen aus einem optischen Gitter wird sogar eine Anregungsverstärkung - eine Antiblockade - vorhergesagt. Die Antiblockade in einem Gitter erlaubt eine Charakterisierung räumlicher Korrelationen der Rydbergatome allein durch die Messung ihrer Dichte. Sie ist robust gegenüber Gitterfehlstellen und sollte mit heutigen experimentellen Techniken nachweisbar sein. Für die Anregung im ungeordneten Gas wird gezeigt, dass sich die räumlichen Korrelationen der Rydbergatome indirekt in den Momenten der Häufigkeitsverteilung angeregter Atome widerspiegeln. Durch die Untersuchung der Fluktuationen in der Zahl angeregter Atome lassen sich die Unterschiede in den Paarkorrelationsfunktionen bei Blockade und Antiblockade im Gas messen. Ein Vergleich mit experimentellen Daten zeigt eine qualitativ gute Übereinstimmung. Für die Dynamik des Rydberggases nach dem Abschalten der Anregungslaser ist der Fall besonders interessant, dass Atome in unterschiedlichen Rydbergzuständen resonant ihre Anregungsenergie austauschen können. In der Arbeit wird argumentiert, dass sich der räumliche Transfer von Anregungsenergie in Rydbergsystemen ohne störende Umgebungseinflüsse gezielt untersuchen lässt. Mit Hilfe der Frenkelschen Exziton-Theorie wird der Energietransfer entlang einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen untersucht. Zusätzlich wird dargelegt, dass die exzitonische Anregung auch mechanische Kräfte auf die Rydbergatome induziert. Diese werden mit Hilfe einer quanten-klassischen Methode analysiert. Der Zusammenhang der auftretenden Kräfte mit den Symmetrien der exzitonischen Eigenfunktionen wird aufgezeigt. In einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen wird ein adiabatischer Energietransfer vorhergesagt, der an die Bewegung der Atome gebunden ist. Er läuft vollständig auf einer einzigen adiabatischen Potentialfläche ab. Dieser Transport ist langsam genug, um mit heutigen experimentellen Methoden im Prinzip orts- und zeitaufgelöst abgebildet zu werden.

The present thesis is devoted to quantum simulation of strongly interacting systems of ultra-cold atoms in optical lattices. It is a theoretical work which focuses on the possibility to employ strong time-periodic forcing for the coherent control of these system. This form of quantum engineering is called Floquet engineering. Experimentally, time-periodic forcing has been successfully applied to realize a variety of physical models and phenomena, especially in the regime of weak interactions. We describe two novel proposals for interesting phenomena in the regime of strong interactions that rely on lattice shaking: melting of a Mott-insulator into an excited-state superfluid via coherent coupling of Bloch bands and the creation of 1D lattice anyons. Furthermore, the role of multiphoton excitations in a driven lattice is analyzed since these processes can lead to unwanted heating and thereby impeding of successful Floquet engineering in the experiment. The introductory Chapter 1 gives an overview over the field of quantum simulations with ultra-cold atoms in optical lattices and describes the experimental progress that has been made in the recent years. In Chapter 2, Floquet theory is reviewed, which provides an excellent framework to deal with time-periodic Hamiltonians and which is the basis of the analysis presented in the following chapters. Chapter 3 deals with the proposal of coherently coupling Bloch bands of an optical lattice via resonant lattice shaking. In particular, the orbital-driven phase transition from a Mott insulating to a superfluid ground state is described in detail. In Chapter 4, a proposal of realizing 1D lattice anyons from strongly interacting bosons in a shaken and tilted lattice is worked out. Furthermore, Friedel oscillations are proposed to provide a measurable real-space signature for the anyonization. Finally, in Chapter 5 multiphoton excitations to higher Bloch bands are analyzed for the cases of a shaken and an amplitude-modulated lattice. The strength and the location of resonances, which are associated with heating, are described theoretically and numerically. / Die vorliegende Arbeit behandelt Quantensimulationen von stark wechselwirkenden Systemen ultrakalter Atome in optischen Gittern. Dabei fokussiert sich diese theoretische Arbeit auf die Möglichkeit, diese Systeme mit Hilfe eines hochfrequenten Antriebs kohärent zu kontrollieren. Diese Form des Quantenengineering nennt man Floquet-Engineering. Experimentell wurden mit Hilfe eines zeitperiodischen Antriebs des optischen Gitters bereits viele physikalische Phänomene und Modelle realisiert, insbesondere im Bereich geringer Wechselwirkungen. Hier beschreiben wir zwei neue Vorschläge für interessante Phänomene im Bereich starker Wechselwirkungen, welche durch zeitperiodisches Gitterschütteln ermöglicht werden: Das Schmelzen eines Mott-Isolators in einen angeregte suprafluiden Zustand durch kohärentes Koppeln von Bloch-Bändern, sowie die Erzeugung von eindimensionalen Gitter-Anyonen. Außerdem wird die Rolle von Multiphoton-Übergängen in angetriebenen Gittern untersucht, da diese Prozesse zu ungewolltem Heizen und damit zur Verhinderung von erfolgreichem Floquet-Engineering führen können. Das einleitende Kapitel 1 gibt einen Überblick über das Feld der Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen und beschreibt den experimentellen Fortschritt der letzten Jahre auf diesem Gebiet. In Kapitel 2 wird die Floquet-Theorie eingeführt, die einen exzellenten Rahmen dafür bietet zeitperiodische Hamiltonians zu behandeln und die Grundlage für die folgenden Kapitel ist. Kapitel 3 stellt den Vorschlag vor, Bloch-Bänder in optischen Gittern durch das Schütteln des Gitters kohärent miteinander zu koppeln. Insbesondere wird im Detail gezeigt, wie dieses Bandkoppeln zu einem orbital getriebenen Phasenübergang von einem Mott-Isolator zu einem Suprafluid führen kann. In Kapitel 4 wird der Vorschlag erläutert, wie eindimensionale Anyonen durch stark wechselwirkende Bosonen erzeugt werden können, indem das Gitter gekippt und geschüttelt wird. Außerdem wird vorgeschlagen, Friedel-Oszillationen im Ortsraum als im Experiment messbare Signatur für die Anyonisierung zu nutzen. Schließlich werden in Kapitel 5 Multiphoton-Übergänge in höhere Bloch-Bänder untersucht, im Falle eines geschüttelten und eines Amplitudenmodulierten Gitters. Die Stärke und die Lage der Resonanzen, welche zu Heizen führen, werden hierbei theoretisch und numerisch beschrieben.

The present thesis is devoted to quantum simulation of strongly interacting systems of ultra-cold atoms in optical lattices. It is a theoretical work which focuses on the possibility to employ strong time-periodic forcing for the coherent control of these system. This form of quantum engineering is called Floquet engineering. Experimentally, time-periodic forcing has been successfully applied to realize a variety of physical models and phenomena, especially in the regime of weak interactions. We describe two novel proposals for interesting phenomena in the regime of strong interactions that rely on lattice shaking: melting of a Mott-insulator into an excited-state superfluid via coherent coupling of Bloch bands and the creation of 1D lattice anyons. Furthermore, the role of multiphoton excitations in a driven lattice is analyzed since these processes can lead to unwanted heating and thereby impeding of successful Floquet engineering in the experiment. The introductory Chapter 1 gives an overview over the field of quantum simulations with ultra-cold atoms in optical lattices and describes the experimental progress that has been made in the recent years. In Chapter 2, Floquet theory is reviewed, which provides an excellent framework to deal with time-periodic Hamiltonians and which is the basis of the analysis presented in the following chapters. Chapter 3 deals with the proposal of coherently coupling Bloch bands of an optical lattice via resonant lattice shaking. In particular, the orbital-driven phase transition from a Mott insulating to a superfluid ground state is described in detail. In Chapter 4, a proposal of realizing 1D lattice anyons from strongly interacting bosons in a shaken and tilted lattice is worked out. Furthermore, Friedel oscillations are proposed to provide a measurable real-space signature for the anyonization. Finally, in Chapter 5 multiphoton excitations to higher Bloch bands are analyzed for the cases of a shaken and an amplitude-modulated lattice. The strength and the location of resonances, which are associated with heating, are described theoretically and numerically. / Die vorliegende Arbeit behandelt Quantensimulationen von stark wechselwirkenden Systemen ultrakalter Atome in optischen Gittern. Dabei fokussiert sich diese theoretische Arbeit auf die Möglichkeit, diese Systeme mit Hilfe eines hochfrequenten Antriebs kohärent zu kontrollieren. Diese Form des Quantenengineering nennt man Floquet-Engineering. Experimentell wurden mit Hilfe eines zeitperiodischen Antriebs des optischen Gitters bereits viele physikalische Phänomene und Modelle realisiert, insbesondere im Bereich geringer Wechselwirkungen. Hier beschreiben wir zwei neue Vorschläge für interessante Phänomene im Bereich starker Wechselwirkungen, welche durch zeitperiodisches Gitterschütteln ermöglicht werden: Das Schmelzen eines Mott-Isolators in einen angeregte suprafluiden Zustand durch kohärentes Koppeln von Bloch-Bändern, sowie die Erzeugung von eindimensionalen Gitter-Anyonen. Außerdem wird die Rolle von Multiphoton-Übergängen in angetriebenen Gittern untersucht, da diese Prozesse zu ungewolltem Heizen und damit zur Verhinderung von erfolgreichem Floquet-Engineering führen können. Das einleitende Kapitel 1 gibt einen Überblick über das Feld der Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen und beschreibt den experimentellen Fortschritt der letzten Jahre auf diesem Gebiet. In Kapitel 2 wird die Floquet-Theorie eingeführt, die einen exzellenten Rahmen dafür bietet zeitperiodische Hamiltonians zu behandeln und die Grundlage für die folgenden Kapitel ist. Kapitel 3 stellt den Vorschlag vor, Bloch-Bänder in optischen Gittern durch das Schütteln des Gitters kohärent miteinander zu koppeln. Insbesondere wird im Detail gezeigt, wie dieses Bandkoppeln zu einem orbital getriebenen Phasenübergang von einem Mott-Isolator zu einem Suprafluid führen kann. In Kapitel 4 wird der Vorschlag erläutert, wie eindimensionale Anyonen durch stark wechselwirkende Bosonen erzeugt werden können, indem das Gitter gekippt und geschüttelt wird. Außerdem wird vorgeschlagen, Friedel-Oszillationen im Ortsraum als im Experiment messbare Signatur für die Anyonisierung zu nutzen. Schließlich werden in Kapitel 5 Multiphoton-Übergänge in höhere Bloch-Bänder untersucht, im Falle eines geschüttelten und eines Amplitudenmodulierten Gitters. Die Stärke und die Lage der Resonanzen, welche zu Heizen führen, werden hierbei theoretisch und numerisch beschrieben.