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Abstract

This thesis describes studies on a Rydberg-dressed ultracold atom system as a versatile platform for non-equilibrium physics research, atom-light interactions analysis and atomic sensing applications. This work includes a description of the experimental system, an ultracold potassium atom setup where we can prepare a gas of atoms in an optical dipole trap and precisely control their ground state properties. To excite the atoms to strongly-interacting Rydberg states, we set up and characterize a high-power and widely tunable excitation laser system, for driving both single and two-photon Rydberg excitations. Together this establishes a unique system for studying the effects of driving, long-range interactions and dissipation (due to the relatively short lifetime of excited states) on many-body dynamics. Using this setup we study the phase structure of a driven-dissipative system out of equilibrium , where exploiting the atom loss rate as an observable,we discover different power-laws depending on the system parameters (i.e driving,dissipation and interaction). We study further in detail a regime which shows loss rates much larger than those for single particles, and discover that due to the Rydberg population decay the system evolves to a self-organized critical state.Our key observations can be well described by effectively classical models for the many-body dynamics, which we understand as a consequence of rapid dephasing of atomic coherences. To quantify the coherence of the atom-light interactions, we realize a Rydberg dressed interferometer. This technique combines the precision of atomic clock transitions with the exaggerated properties of Rydberg atoms such as their long-range interactions and extreme response to electric fields. Using the interferometer, we are able to characterize the Rydberg-dressed ensemble, including the effects of population decay and dephasing both of which affect the coherence time. This enables us to identify power fluctuations in the excitation laser as the dominant effects limiting the coherence in the system, which will be used in the experiment for future improvements of the coherence time. As an additional application, we demonstrate that the Rydberg dressed interferometer can be used to precisely measure static electric fields down to 17 mV/cm which is comparable to state-of-the-art electrometers. These results together highlight the versatility of the Rydberg platform and pave the way towards a better understanding of long-range interacting systems out-of-equilibrium. This work paves the way to new studies of non-equilibrium phenomena and applications of many-body quantum systems which make use of both quantum coherent and dissipative interactions.

Translation of abstract (German)

Diese Dissertation legt Untersuchungen an einem Rydberg-dressed ultrakalten Atom-system als vielseitige Plattform für Forschungen zur Nichtgleichgewichtsphysik,zu Atom-Licht-Wechselwirkungen sowie zur atombasierten Metrologie dar. Die Arbeit umfasst die Beschreibung des experimentellen Aufbaus, welcher die Herstellung eines Gases von ultrakalten Kaliumatomen in einer Dipolfalle sowie die genaue Steuerung der Grundzustandseigenschaften erlaubt. Um die Atome zurstark wechselwirkenden Rydberg-Zuständen anzuregen, errichten und charakterisieren wir ein leistungsfähiges und weit einstellbares Lasersystem für die Ein- sowie Zwei-Photonen Rydberg-Anregung. Dies bildet zusammen ein einzigartiges System mit starkem Antrieb, langreichweitigen Wechselwirkungen und Dissipation aufgrund der begrenzten Lebensdauer der hochangeregten Atome. Mit diesem Aufbau erkunden wir die Phasenstruktur eines angetriebenen dissipativen Systemsaußerhalb des Gleichgewichts, wo die Atomverlustrate als Observable ausgenutzt wird, finden wir unterschiedliche Leistungsgesetze abhängig von den Systempa-rametern (d. h. Treiben, Dissipation und Interaktion). Wir untersuchen auch das langfristige dynamische Verhalten, wobei sich das System zu einem selbstorganisierten kritischen Zustand entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse können als klassisches Vielkörperensemble beschrieben werden, da die Kohärenz bei den für die Messung relevanten Zeitskalen bereits verwaschen ist. Um die kohärente Entwicklung unseres Systems zu verbessern und zu verstehen, wie Kohärenz die Dynamik eines dissipativen Systems beeinflusst, erstellen wir ein Rydberg-dressed Interferometer. Diese Technik vereint die Präzision von Atomuhrübergängen mit den überhöhten Eigenschaften der Rydberg-Atome, wie beispielweise deren langreich-weitigen Wechselwirkungen und hohe Empfindlichkeit für elektrische Felder. Mitdem Interferometer können wir das Rydberg-dressed Ensemble charakterisieren, insbesondere die Auswirkungen von Besetzungszerfall und von Dephasierung, welche beide die Kohärenzzeit beeinflussen. Leistungsschwankungen des Anregungslasersstellen sich als größter Beitrag für die Dephasierung heraus und bilden gleichzeitig einen Ansatz für die zukünftige Verbesserung der experimentellen Kohärenzzeit.Zusätzlich demonstrieren wir die Anwendung des Rydberg-dressed Interferometers um statische elektrische Felder bis zu 17 mV/cm genau zu messen, was vergleichbar dem Stand der Technik von Elektrometern ist. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Vielfältigkeit der Rydberg-Plattform und ebnet den Weg für ein besseres Verständnis von langreichweitig wechselwirkenden Systemen außerhalb des Gleichgewichts.Zudem legt diese Arbeit die Grundlage für zukünftige Untersuchungen, bei denen durch eine verbesserte Kohärenzzeit die Grenze zwischen isolierten und dissipativen Systemen erkundet werden kann, wobei Quanten- sowie klassische Fluktuationenkonkurrieren.