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Expériences avec des Gaz de Fermi Ultrafroids : Dégénérescence Quantique de Potassium-40 et Sources Lasers à l’État Solide pour Lithium

Norman Kretzschmar

Published Jun 26, 2015• 0 citations
OpenAlex

Abstract

This thesis presents novel techniques for the experimental study of ultracold quantum gases of fermionic lithium and potassium atoms.In the first part of this thesis, we describe the design and characterization of the new components of our experimental apparatus capable of trapping and cooling simultaneously $^6$Li and $^{40}$K atoms to ultracold temperatures.We report on a novel sub-Doppler cooling mechanism, operating on the D$_1$ line transition of alkali atoms, for laser cooling of lithium and potassium. The measured phase space densities after this molasses phase are on the order of $10^{-4}$ for both $^6$Li and $^{40}$K. We present the forced evaporative cooling of $^{40}$K atoms, starting in an optically plugged magnetic quadrupole trap and continuing in an optical dipole trap. In this context, we report on the production of a quantum degenerate Fermi gas of $1.5\times10^5$ atoms $^{40}$K in a crossed dipole trap with $T/T_{_F} = 0.17$, paving the way for the study of strongly interacting superfluids of $^{40}$K.In the second part of this thesis, we present a narrow-linewidth, all-solid-state laser source, emitting 5.2 W in the vicinity of the lithium D-line transitions at 671 nm. The source is based on a diode-end-pumped unidirectional ring laser operating on the 1342 nm transition of Nd:YVO$_4$, capable of producing 6.5 W of single-mode light delivered in a diffraction-limited beam. We report on three different approaches for second-haromonic generation of its output beam, namely by employing an enhancement cavity containing a ppKTP crystal, intracavity frequency doubling and a ppZnO:LN waveguide structure.

Related papers

A novel all-solid-state laser source for lithium atoms and three-body recombination in the unitary Bose gas

Ulrich Eismann, CHEVY, Frédéric

In this thesis we present novel techniques for the study of ultracold gases of lithium atoms. In the first part of this thesis, we present the development of a narrow-linewidth laser source emitting 840mW of output power in the vicinity of the lithium D-line resonances at 671 nm. The source is based on a diode-end-pumped unidirectional ring laser operating on the 1342-nm transition in Nd:YVO4, capable of producing 1.3W of single-mode light delivered in a diffraction-limited beam. The output beam is subsequently frequency-doubled using periodically-poled potassium titanyl phosphate (ppKTP) in an external buildup cavity. We obtain doubling efficiencies of up to 86%. Tunability of the output frequency over more than 400GHz and frequency-locking of the cavity ensemble with respect to the lithium D-line transitions are accomplished. We measure the linewidth to be 200+400-200kHz. In the second part of this thesis, we employ the source in an experimental setup to produce to cool and trap lithium atoms. We realize samples of finite-temperature unitary Bose gases around the center of a Fano-Feshbach resonance, where interactions between the atoms are maximized. We present temperature-dependent measurements of the unitarity-limited three-body loss rate. The measured losses attain the limiting value imposed by quantum mechanics without adjustable parameters. This measurement allows for the introduction of a criterion for quasi-equilibrium. In this regime, by using technique based on in-situ imaging developed in our group, we provide a first measurement of the equation of state of the unitary Bose gas at low fugacities.

•Jan 1, 2012•2 citations

Experiments with Ultracold Fermi Gases : quantum Degeneracy of Potassium-40 and All-solid-state Laser Sources for Lithium

Norman Kretzschmar

Expériences avec des Gaz de Fermi Ultrafroids : dégénérescence quantique de potassium-40 et sources lasers à l’état solide pour lithium Cette thèse présente de nouvelles techniques pour l'étude expérimentale des gaz quantique ultrafroids d'atomes fermioniques de lithium et de potassium. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons la conception et la caractérisation des nouveaux composants de notre dispositif expérimental capable de piéger et refroidir simultanément des atomes de ⁶Li et de ⁴⁰K à des températures ultrabasses. Nous rendons compte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition de la raie D₁ des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium et de potassium par laser. Après cette étape de mélasse, nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases de l'ordre de 10⁻⁴ à la fois pour le ⁶Li et le ⁴⁰K. Nous présentons le refroidissement par évaporation forcée d'atomes de ⁴⁰K qui commence dans un piège magnétique quadripolaire pluggé et continue dans un piège optique dipolaire. Dans ce contexte, nous rendons compte de la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de 1.5x10⁵ atomes de ⁴⁰K dans un piège dipolaire croisé avec T/T_{_F} = 0.17, ce qui ouvre la voie à l'étude des superfluides de ⁴⁰K en interaction forte. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons une source laser à état solide, de faible largeur spectrale et capable d'émettre 5.2 W de puissance autour de 671 nm, dans la gamme des longueurs d'onde des transitions de la raie D du lithium. La source repose sur un laser en anneau pompé par diode, émettant sur la transition à 1342 nm de Nd:YVO₄, capable de produire 6.5 W de lumière dans un faisceau monomode limité par la diffraction. Nous rendons compte de trois différentes approches pour la génération de seconde harmonique du faisceau de sortie, à savoir en utilisant une cavité amplificatrice comprenant un cristal ppKTP, par doublage de fréquence intracavité et par un structure de guide d'onde de ppZnO:LN.

•Jun 26, 2015•0 citations

Ultracold Fermi mixtures and simultaneous sub-Doppler laser cooling of fermionic 6Li and 40K

Franz Sievers

Mélanges ultrafoids de Fermi et refroidissements laser sub-Doppler simultané de fermioniques 6Li et 40K Ce travail rend compte de nouvelles techniques développées pour l'étude expérimentale de gaz ultrafroids de lithium et de potassium fermioniques. Les améliorations de notre expérience 6Li-40K y sont décrites et caractérisées. Nous présentons un laser solide de grande finesse capable d'émettre 5W de puissance à 671 nm. Nous utilisons cette source laser dans le contexte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition atomique D1 des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium. Cette melasse D1 nous permet de refroidir simultanément les atomes de 6Li et de 40K à des températures bien inférieures à la limite Doppler, tout en manipulant des grands nombres d'atomes à des densités importantes. Nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases après l'étape de mélasse de l'ordre de 10-4 à la fois pour le 6Li et le 40K. Le refroidissement laser D1 ouvre la voie à une évaporation rapide vers la dégénérescence quantique dans un piège magnétique ou optique. Nous présentons le refroidissement évaporatif d'atomes de 40K. L'évaporation débute dans une piège magnétique pluggé et continue dans un piège dipolaire optique. A l'issue de l'évaporation, nous obtenons un mélange de spins dégénéré, avec plus de 7x105 atomes dans chacun des deux états de spin et une température T/TF<0.34.

•Jul 21, 2014•0 citations

Trapping and cooling of fermionic alkali atoms to quantum degeneracy : Sub-Doppler cooling of Potassium-40 and Lithium-6 in gray molasses

Diogo Fernandes

Piégeage et refroidissement d'atomes fermioniques alcalins jusqu'à dégénérescence quantique : refroidissement sub-doppler du Potassium-40 et du Lithium-6 dans des mélasses grises Ce mémoire décrit la conception, la construction et la caractérisation d'un appareil capable de piéger et refroidir des atomes fermioniques de 6Li et 40K à des températures ultrabasses. L'étude des mélanges des gazes de Fermi dégénérés ouvre la porte vers la création des nouveaux systèmes quantiques à N corps. Nous présentons une nouvelle technique de refroidissement laser capable de refroidir simultanément 6Li et 40K à des températures sub-doppler basée sur un schéma de molasses grises fonctionnant sur la transition atomique D1. Cette stratégie améliore la densité dans le espace des phases des deux espèces atomiques à 104, la valeur la plus élevée rapportée dans la littérature pour le refroidissement laser du 6Li et du40K. L'optimisation d'un dispositif capable de transporter un nuage atomique piégé magnétiquement de l'enceinte MOT à une cellule de science est décrite. Dans cette cellule on effectue du refroidissement évaporatif d'abord dans un piège magnétique quadripolaire dont le zéro du champ est interdit par un potentiel répulsif et après dans un piège optique dipolaire. Nous rapportons la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de 1.1x106 atomes de 40K dans un piège dipolaire croisé avec T/TF = 0.27,ouvrant la voie à la création des superfluides de 40K en interactions fortes.

•Sep 29, 2014•0 citations

A versatile apparatus for fermionic lithium quantum gases based on an interference-filter laser system

Benjamin Gänger, Jan Phieler, Benjamin Nagler +1 more

We report on the design and construction of a versatile setup for experiments with ultracold lithium (Li) gases. We discuss our methods to prepare an atomic beam and laser cool it in a Zeeman slower and a subsequent magneto-optical trap, which rely on established methods. We focus on our laser system based on a stable interference-filter-stabilized, linear-extended-cavity diode laser, so far unreported for lithium wavelengths. Moreover, we describe our optical setup to combine various laser frequencies for cooling, manipulation, and detection of Li atoms. We characterize the performance of our system preparing degenerate samples of Li atoms via forced evaporation in a hybrid crossed-beam optical-dipole trap plus confining magnetic trap. Our apparatus allows one to produce quantum gases of N ≈ 105…106 fermionic lithium-6 atoms at nanokelvin temperatures in cycle times below 10 s. Our optical system is particularly suited to study the dynamics of fermionic superfluids in engineered optical potentials.

Review of Scientific Instruments•Sep 1, 2018•16 citations

Cooling 6Li to Quantum Degeneracy by 166Er in a Novel Ultracold Fermi-Bose Gas Mixture

Florian Johannes Kiesel

Simulating highly correlated quantum systems with classical computers exceed their capa- bilities as the system size increases. In analog quantum simulators, the system of interest is mimicked by another quantum system in a highly controllable and accessible environ- ment. Even though quantum simulations with ultracold atoms have been demonstrated successfully, ultra-low temperature regimes are experimentally challenging to achieve and still remain to be explored. New approaches to realizing ever lower temperatures, especially in Fermi systems, have been and continue to be a constant pursuit in Atomic, Molecular, and Optical Physics (AMO). Within this thesis, a new quantum gas experiment of fermionic 6Li and bosonic 166Er is presented and first results on sympathetic cooling of Li to quantum degeneracy by Er are demonstrated. The experimental apparatus is described in detail with a focus on the Li subsystem of the dual-species experiment. Standard and further developed laser cooling techniques used to produce a Magneto-Optical Trap (MOT) of Li are characterized, along with their associated vacuum system stages. In this context, a combined Optical Pumping / Transversal Cooling (OP/TC) technique of the atomic beam on the D1-line is presented, and an enhancement of the MOT loading rate by one order of magnitude is demonstrated. The architecture and building blocks of the laser system for providing resonant light at 671 nm for laser cooling of Li are detailed, and laser locking techniques for frequency stabilization and light amplification by injection locking of high-power laser diodes are presented. Special focus is placed on the introduction and characterization of a new laser- diode-independent injection locking technique, keeping spectrally pure amplified light by a periodic slave current optimization routine executed by a microcontroller. The system has been submitted for patent approval. In further steps of optical cooling of Li, a non-standard free-space Gray Molasses (GM) technique based on intensity ramps, providing temperatures as low as 13 µK, is presented. The non-standard technique is characterized and compared to the standard pulse GM approach, which typically achieves 50 µK only. Cooling steps for preparing an ultracold Li cloud in the glass cell start from an Optical Dipole Trap (ODT) loaded by a compressed Magneto-Optical Trap (cMOT) and consecutive evaporation into a 1D transport lattice of counter propagating 1064 nm laser beams. By detuning one of the lattice beams, optical transport over 1 m to the glass cell with an efficiency of 74% is demonstrated. In a combined ErLi sequence, the two species are transported to the glass cell together and loaded to 1064 nm ODTs. Sympathetic cooling of Li by forced evaporation of Er to T/TF = 0.77 ± 0.10 next to the production of an Er BEC are presented. To conclude, this work introduces a new promising dual-species quantum gas experiment and its ability for providing sympathetic cooling of Li by Er to quantum degeneracy is demon- strated. These findings are an encouraging foundation for achieving higher degeneracies by refined experimental control in pursuit of penetrating unexplored temperature regimes in quantum simulators.

•Feb 20, 2026•0 citations
This thesis presents novel techniques for the experimental study of ultracold quantum gases of fermionic lithium and potassium atoms.In the first part of this thesis, we describe the design and characterization of the new components of our experimental apparatus capable of trapping and cooling simultaneously 6^66Li and 40^{40}40K atoms to ultracold temperatures.We report on a novel sub-Doppler cooling mechanism, operating on the D1_11​ line transition of alkali atoms, for laser cooling of lithium and potassium. The measured phase space densities after this molasses phase are on the order of 10−410^{-4}10−4 for both 6^66Li and 40^{40}40K. We present the forced evaporative cooling of 40^{40}40K atoms, starting in an optically plugged magnetic quadrupole trap and continuing in an optical dipole trap. In this context, we report on the production of a quantum degenerate Fermi gas of 1.5×1051.5\times10^51.5×105 atoms 40^{40}40K in a crossed dipole trap with T/TF=0.17T/T_{_F} = 0.17T/TF​​=0.17, paving the way for the study of strongly interacting superfluids of 40^{40}40K.In the second part of this thesis, we present a narrow-linewidth, all-solid-state laser source, emitting 5.2 W in the vicinity of the lithium D-line transitions at 671 nm. The source is based on a diode-end-pumped unidirectional ring laser operating on the 1342 nm transition of Nd:YVO4_44​, capable of producing 6.5 W of single-mode light delivered in a diffraction-limited beam. We report on three different approaches for second-haromonic generation of its output beam, namely by employing an enhancement cavity containing a ppKTP crystal, intracavity frequency doubling and a ppZnO:LN waveguide structure.
In this thesis we present novel techniques for the study of ultracold gases of lithium atoms. In the first part of this thesis, we present the development of a narrow-linewidth laser source emitting 840mW of output power in the vicinity of the lithium D-line resonances at 671 nm. The source is based on a diode-end-pumped unidirectional ring laser operating on the 1342-nm transition in Nd:YVO4, capable of producing 1.3W of single-mode light delivered in a diffraction-limited beam. The output beam is subsequently frequency-doubled using periodically-poled potassium titanyl phosphate (ppKTP) in an external buildup cavity. We obtain doubling efficiencies of up to 86%. Tunability of the output frequency over more than 400GHz and frequency-locking of the cavity ensemble with respect to the lithium D-line transitions are accomplished. We measure the linewidth to be 200+400-200kHz. In the second part of this thesis, we employ the source in an experimental setup to produce to cool and trap lithium atoms. We realize samples of finite-temperature unitary Bose gases around the center of a Fano-Feshbach resonance, where interactions between the atoms are maximized. We present temperature-dependent measurements of the unitarity-limited three-body loss rate. The measured losses attain the limiting value imposed by quantum mechanics without adjustable parameters. This measurement allows for the introduction of a criterion for quasi-equilibrium. In this regime, by using technique based on in-situ imaging developed in our group, we provide a first measurement of the equation of state of the unitary Bose gas at low fugacities.
Expériences avec des Gaz de Fermi Ultrafroids : dégénérescence quantique de potassium-40 et sources lasers à l’état solide pour lithium Cette thèse présente de nouvelles techniques pour l'étude expérimentale des gaz quantique ultrafroids d'atomes fermioniques de lithium et de potassium. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons la conception et la caractérisation des nouveaux composants de notre dispositif expérimental capable de piéger et refroidir simultanément des atomes de ⁶Li et de ⁴⁰K à des températures ultrabasses. Nous rendons compte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition de la raie D₁ des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium et de potassium par laser. Après cette étape de mélasse, nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases de l'ordre de 10⁻⁴ à la fois pour le ⁶Li et le ⁴⁰K. Nous présentons le refroidissement par évaporation forcée d'atomes de ⁴⁰K qui commence dans un piège magnétique quadripolaire pluggé et continue dans un piège optique dipolaire. Dans ce contexte, nous rendons compte de la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de 1.5x10⁵ atomes de ⁴⁰K dans un piège dipolaire croisé avec T/T_{_F} = 0.17, ce qui ouvre la voie à l'étude des superfluides de ⁴⁰K en interaction forte. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons une source laser à état solide, de faible largeur spectrale et capable d'émettre 5.2 W de puissance autour de 671 nm, dans la gamme des longueurs d'onde des transitions de la raie D du lithium. La source repose sur un laser en anneau pompé par diode, émettant sur la transition à 1342 nm de Nd:YVO₄, capable de produire 6.5 W de lumière dans un faisceau monomode limité par la diffraction. Nous rendons compte de trois différentes approches pour la génération de seconde harmonique du faisceau de sortie, à savoir en utilisant une cavité amplificatrice comprenant un cristal ppKTP, par doublage de fréquence intracavité et par un structure de guide d'onde de ppZnO:LN.
Mélanges ultrafoids de Fermi et refroidissements laser sub-Doppler simultané de fermioniques 6Li et 40K Ce travail rend compte de nouvelles techniques développées pour l'étude expérimentale de gaz ultrafroids de lithium et de potassium fermioniques. Les améliorations de notre expérience 6Li-40K y sont décrites et caractérisées. Nous présentons un laser solide de grande finesse capable d'émettre 5W de puissance à 671 nm. Nous utilisons cette source laser dans le contexte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition atomique D1 des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium. Cette melasse D1 nous permet de refroidir simultanément les atomes de 6Li et de 40K à des températures bien inférieures à la limite Doppler, tout en manipulant des grands nombres d'atomes à des densités importantes. Nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases après l'étape de mélasse de l'ordre de 10-4 à la fois pour le 6Li et le 40K. Le refroidissement laser D1 ouvre la voie à une évaporation rapide vers la dégénérescence quantique dans un piège magnétique ou optique. Nous présentons le refroidissement évaporatif d'atomes de 40K. L'évaporation débute dans une piège magnétique pluggé et continue dans un piège dipolaire optique. A l'issue de l'évaporation, nous obtenons un mélange de spins dégénéré, avec plus de 7x105 atomes dans chacun des deux états de spin et une température T/TF<0.34.
Piégeage et refroidissement d'atomes fermioniques alcalins jusqu'à dégénérescence quantique : refroidissement sub-doppler du Potassium-40 et du Lithium-6 dans des mélasses grises Ce mémoire décrit la conception, la construction et la caractérisation d'un appareil capable de piéger et refroidir des atomes fermioniques de 6Li et 40K à des températures ultrabasses. L'étude des mélanges des gazes de Fermi dégénérés ouvre la porte vers la création des nouveaux systèmes quantiques à N corps. Nous présentons une nouvelle technique de refroidissement laser capable de refroidir simultanément 6Li et 40K à des températures sub-doppler basée sur un schéma de molasses grises fonctionnant sur la transition atomique D1. Cette stratégie améliore la densité dans le espace des phases des deux espèces atomiques à 104, la valeur la plus élevée rapportée dans la littérature pour le refroidissement laser du 6Li et du40K. L'optimisation d'un dispositif capable de transporter un nuage atomique piégé magnétiquement de l'enceinte MOT à une cellule de science est décrite. Dans cette cellule on effectue du refroidissement évaporatif d'abord dans un piège magnétique quadripolaire dont le zéro du champ est interdit par un potentiel répulsif et après dans un piège optique dipolaire. Nous rapportons la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de 1.1x106 atomes de 40K dans un piège dipolaire croisé avec T/TF = 0.27,ouvrant la voie à la création des superfluides de 40K en interactions fortes.
We report on the design and construction of a versatile setup for experiments with ultracold lithium (Li) gases. We discuss our methods to prepare an atomic beam and laser cool it in a Zeeman slower and a subsequent magneto-optical trap, which rely on established methods. We focus on our laser system based on a stable interference-filter-stabilized, linear-extended-cavity diode laser, so far unreported for lithium wavelengths. Moreover, we describe our optical setup to combine various laser frequencies for cooling, manipulation, and detection of Li atoms. We characterize the performance of our system preparing degenerate samples of Li atoms via forced evaporation in a hybrid crossed-beam optical-dipole trap plus confining magnetic trap. Our apparatus allows one to produce quantum gases of N ≈ 105…106 fermionic lithium-6 atoms at nanokelvin temperatures in cycle times below 10 s. Our optical system is particularly suited to study the dynamics of fermionic superfluids in engineered optical potentials.
Simulating highly correlated quantum systems with classical computers exceed their capa- bilities as the system size increases. In analog quantum simulators, the system of interest is mimicked by another quantum system in a highly controllable and accessible environ- ment. Even though quantum simulations with ultracold atoms have been demonstrated successfully, ultra-low temperature regimes are experimentally challenging to achieve and still remain to be explored. New approaches to realizing ever lower temperatures, especially in Fermi systems, have been and continue to be a constant pursuit in Atomic, Molecular, and Optical Physics (AMO). Within this thesis, a new quantum gas experiment of fermionic 6Li and bosonic 166Er is presented and first results on sympathetic cooling of Li to quantum degeneracy by Er are demonstrated. The experimental apparatus is described in detail with a focus on the Li subsystem of the dual-species experiment. Standard and further developed laser cooling techniques used to produce a Magneto-Optical Trap (MOT) of Li are characterized, along with their associated vacuum system stages. In this context, a combined Optical Pumping / Transversal Cooling (OP/TC) technique of the atomic beam on the D1-line is presented, and an enhancement of the MOT loading rate by one order of magnitude is demonstrated. The architecture and building blocks of the laser system for providing resonant light at 671 nm for laser cooling of Li are detailed, and laser locking techniques for frequency stabilization and light amplification by injection locking of high-power laser diodes are presented. Special focus is placed on the introduction and characterization of a new laser- diode-independent injection locking technique, keeping spectrally pure amplified light by a periodic slave current optimization routine executed by a microcontroller. The system has been submitted for patent approval. In further steps of optical cooling of Li, a non-standard free-space Gray Molasses (GM) technique based on intensity ramps, providing temperatures as low as 13 µK, is presented. The non-standard technique is characterized and compared to the standard pulse GM approach, which typically achieves 50 µK only. Cooling steps for preparing an ultracold Li cloud in the glass cell start from an Optical Dipole Trap (ODT) loaded by a compressed Magneto-Optical Trap (cMOT) and consecutive evaporation into a 1D transport lattice of counter propagating 1064 nm laser beams. By detuning one of the lattice beams, optical transport over 1 m to the glass cell with an efficiency of 74% is demonstrated. In a combined ErLi sequence, the two species are transported to the glass cell together and loaded to 1064 nm ODTs. Sympathetic cooling of Li by forced evaporation of Er to T/TF = 0.77 ± 0.10 next to the production of an Er BEC are presented. To conclude, this work introduces a new promising dual-species quantum gas experiment and its ability for providing sympathetic cooling of Li by Er to quantum degeneracy is demon- strated. These findings are an encouraging foundation for achieving higher degeneracies by refined experimental control in pursuit of penetrating unexplored temperature regimes in quantum simulators.