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Quantum Degenerate Fermi-Bose Mixtures of 40K and 87Rb in 3D Optical Lattices

Silke Ospelkaus

Published Feb 28, 2007• 8 citations
OpenAlex

Abstract

Recent years have seen spectacular progress towards the realization of novel strongly correlated systems with homonuclear ultracold quantum gases. The strongly correlated regime has been demonstrated to be accessible both by means of strong, periodic confinement as demonstrated in experiments with optical lattices and through strong resonant interactions which can be produced by means of Feshbach resonances. Given the impressive development seen in homonuclear systems, heteronuclear systems composed of particles with different quantum-statistical behavior (Fermi-Bose mixtures) offer an even wider spectrum of possibilities for quantum simulation and strongly correlated phases, in particular when loaded into an optical lattice and combined with the possibility of almost arbitrary interactions through Feshbach resonances. In this thesis, experiments with Fermi-Bose mixtures in 3-dimensional optical lattices and under the influence of tunable heteronuclear interactions are presented. An experiment allowing for the creation of large mixtures of quantum degenerate fermionic 40K and bosonic 87Rb gases has been set up together with C. Ospelkaus. The onset of degeneracy in both components is demonstrated, and effects of the heteronuclear attractive background interaction are studied. Heteronuclear Feshbach resonances have been used for the first time in order to change the interaction properties of the mixture in a controlled fashion. This has allowed the study of the complete phase diagram of harmonically trapped mixtures, ranging from stable attractively interacting mixtures over a Feshbach-driven controlled mean field collapse of the system for strong attractive interactions, the onset of phase separation for strong repulsive interactions to stable, repulsively interacting mixtures. The studies of Feshbach resonances have also led to the identification of the first p-wave heteronuclear resonance. The periodic potential of an optical lattice is an ideal environment for simulation of quantum many-body Hamiltonians and systems of reduced dimensionality. Theoretical results for fermionic and bosonic atoms in optical lattices are presented, both in a single particle picture, highlighting the role of the external trapping potential, as well as in the interacting many-particle limit. This thesis documents the first realization of a Fermi-Bose quantum many-body system in a 3D optical lattice. In these experiments, the effect of a small fermionic fraction on the coherence properties of the bosonic sample is investigated. Already a small fermionic impurity fraction strongly affects the coherence properties of the bosonic cloud. The quantitative analysis shows that in the presence of the fermionic component, decoherence of the bosonic ensemble occurs at much lower lattice depths than for a pure bosonic sample. The surprisingly large effect has triggered an intense discussion on possible explanations in terms of thermodynamic properties, mean field models and disorder-related localization scenarios. Combining tunable interactions with 3-dimensional optical lattices, formation of heteronuclear Feshbach molecules in single wells of the lattice is demonstrated for the first time, along with a determination of the molecular binding energy and lifetime. By subsequent two-color photoassociation schemes, these (externally) ground state molecules may be transferred into their internal ground state where they exhibit a permanent electric dipole moment. This may result in the realization of novel quantum gases with anisotropic interactions. Das Feld ultrakalter homonuklearer Quantengase wurde in den letzten Jahren durch fundamentale Fortschritte in der Realisierung stark korrelierter Systeme gepragt. Das Regime starker Korrelation wurde sowohl durch starke aussere Einschlusspotentiale in optischen Gittern als auch durch starke resonante Wechselwirkung an einer Feshbach-Resonanz erreicht. Heteronukleare Systeme gemischter Quantenstatistik (Fermi-Bose Mischungen), kombiniert mit dreidimensionalen optischen Gittern und einstellbarer Wechselwirkung, eroffnen die Perspektive, fundamental neue Quantenphasen stark korrelierter Systeme zu realisieren und in einer extrem reinen und kontrollierbaren Umgebung zu studieren. In dieser Arbeit wurde zusammen mit C. Ospelkaus ein Experiment zum Studium ultrakalter Fermi-Bose Mischungen aus 40K und 87Rb in dreidimensionalen optischen Gittern mit einstellbarer Wechselwirkung aufgebaut. Ausgehend von quantentarteten Mischungen groser Teilchenzahl wurden Effekte der attraktiven Hintergrundwechselwirkung zwischen den Konstituenten untersucht. Die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung an einer heteronuklearen Feshbach-Resonanz wurde erstmalig demonstriert und die grundlegenden Phasen harmonisch gefangener Fermi-Bose Mischungen untersucht. Dies reicht von einem wechselwirkungsinduzierten Kollaps im Falle attraktiver Wechselwirkung uber stabile Mischungen attraktiver und repulsiver Wechselwirkung bis hin zur Phasenseparation im Falle starker repulsiver Wechselwirkung. Periodische optische Potentiale bieten eine ideale Umgebung zur Simulation von Vielteilchen-Hamiltonoperatoren und niederdimensionalen Systemen. Grundlegende theoretische Ergebnisse fur fermionische und bosonische Systeme in optischen Gittern werden sowohl aus der Perspektive eines Einteilchenbildes als auch eines Vielteilchenbildes mit und ohne Wechselwirkung vorgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Vielteilchensystem gemischter Statistik in einem dreidimensionalen optischen Gitter realisiert. In ersten Experimenten wurden die Koharenzeigenschaften der bosonischen Komponente unter dem Einfluss der fermionischen Atome untersucht. Bereits eine kleine Beimischung fermionischer Atome beeinflusst die Koharenzeigenschaften der Bosonen signifikant und induziert einen Koharenzverlust in der bosonischen Wolke bei wesentlich flacheren Gittern als im rein bosonischen System. Die Ursache dieses erstaunlich grosen Effektes wird derzeitig kontrovers diskutiert. Als mogliche Ursachen werden thermodynamische Eigenschaften des Ladeprozesses der Mischung in das Gitter, eine Verschiebung des Ubergangs einer superfluiden in eine Mott-isolierende Phase unter dem Einfluss der heteronuklearen Wechselwirkung sowie unordnungsinduzierte Lokalisierungsphanomene diskutiert. Schlieslich wird die erstmalige Erzeugung langlebiger heteronuklearer Feshbach-Molekule in einem optischen Gitter vorgestellt. In diesen Experimenten wird die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung an einer Feshbach Resonanz mit dreidimensionalen optischen Gittern kombiniert. Die Effizienz des Assoziationsprozesses wird charakterisiert und die Bindungsenergie und Lebensdauer der Molekule gemessen. Fur heteronukleare Molekule aus 40K und 87Rb wird ein permanentes elektrisches Dipolmoment in ihrem absoluten Grundzustand vorhergesagt. Diese heteronuklearen Molekule bieten daher weitreichende Perspektiven zum Studium von Quantengasen anisotroper dipolarer Wechselwirkung.

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Ultracold Yb Gases with Control over Spin and Orbital Degrees of Freedom

Alexander Thobe

Ultracold quantum degenerate gases of alkaline-earth-like atoms open up new perspectives for the investigation of strongly-correlated many-body physics. Long-lived metastable states in combination with a decoupled nuclear spin enable the realization of intriguing Hamiltonians beyond the possibilities of current alkali-based experiments, ranging from the Kondo lattice model to SU(N)-symmetric magnetic systems. Among the alkaline-earth-like elements, Yb is particularly versatile due to its large number of bosonic and fermionic isotopes with a wide range of interaction strengths. This thesis describes a newly-built setup for the study of quantum manybody physics with ultracold Yb, demonstrating the preparation of Bose-Einstein condensates and multi-component degenerate Fermi gases in an optical lattice with coherent control over the electronic state. Within this work we have implemented for the first time a two-dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) for the initial laser cooling of Yb. The slow atoms from the 2D-MOT can directly be loaded into a 3D-MOT operating on a narrow intercombination transition, and loading rates comparable with Zeeman slower setups are achieved. The flexibility and the compact setup of the 2D-MOT makes our setup well suited for the production of multi-element quantum gas mixtures in the future. Via evaporative cooling in a crossed optical dipole trap Bose-Einstein condensates of 174Yb with up to 2x10^5 atoms are produced. Loading the condensate into a triangular optical lattice, we observe the superfluid to Mott-insulator transition with Yb. Using the fermionic isotope 173Yb, quantum degenerate, multi-component Fermi gases with one to six spin components are obtained with up to 8x10^4 atoms at 15% of the Fermi temperature. In order to coherently prepare Yb quantum gases in the metastable 3P0 state, an ultrastable laser addressing the 1S0-3P0 clock transition at 578nm has been developed as a major part of this thesis. Exhibiting a short-term stability at the 1Hz-level, this laser will serve as an important tool for the manipulation and probing of strongly-correlated many-body systems of ultracold Yb. Control over the electronic state is demonstrated by Rabi spectroscopy on the 1S0-3P0 transition of quantum degenerate 173Yb in a three-dimensional optical lattice. In a spin-polarized sample more than 90% of the atoms can be prepared in the metastable 3P0 state. Driving a vibrational sideband transition, the atoms can also be coherently excited to higher bands in the optical lattice. Moreover, first experiments towards the electronic state control of interacting spin mixtures are performed, exhibiting signatures of interaction-induced lineshifts. The preparation and manipulation techniques presented in this thesis constitute an important step towards the exploration of novel quantum many-body physics with ultracold Yb. Ultrakalte Quantengase aus Erdalkali-ahnlichen Atomen eroffnen neue Moglichkeiten zur Untersuchung stark korrelierter Quantenvielteilchensysteme. Langlebige metastabile Zustande kombiniert mit einem entkoppelten Kernspin ermoglichen es faszinierende Vielteilchensysteme zu realisieren, die uber die Moglichkeiten heutiger Alkali-basierter Experimente hinausgehen: Vom Kondo-Gitter-Modell bis hin zu SU(N)-symmetrischen magnetischen Systemen. Von allen Erdalkali-ahnlichen Elementen besticht vor allem Ytterbium (Yb) durch die Vielzahl von fermionischen und bosonischen Isotopen mit unterschiedlichen Wechselwirkungsstarken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer experimenteller Aufbau zur Erforschung von Quantenvielteilchensystemen aus ultrakalten Yb-Atomen realisiert. Mit diesem Aufbau wurden sowohl Bose-Einstein Kondensate, als auch mehrkomponentige Fermigase in einem optischen Gitter prapariert. Ferner wurde die koharente Kontrolle des elektronischen Zustands ultrakalter Atome demonstriert. In dem hier vorgestellten Aufbau wurde zum ersten Mal eine zweidimensionale magnetooptische Falle (2D-MOT) zur Erzeugung langsamer Yb-Atome implementiert. Die Atome aus der 2D-MOT konnen direkt in eine 3D-MOT auf einer schmalen Interkombinationslinie geladen werden. Die erzielten Laderaten sind mit denen von Zeeman slowern vergleichbar. Durch die Flexibilitat und den kompakten Aufbau der 2D-MOT ist unsere Apparatur besonders gut fur die Erzeugung mehrelementiger Quantengasmischungen in zukunftigen Experimenten geeignet. Mittels evaporativer Kuhlung in einer gekreuzten Dipolfalle wurden reine 174Yb Bose-Einstein Kondensate mit bis zu 2x10^5 Atomen realisiert. Anhand dieser Kondensate konnte der Mott-Isolator Ubergang in einem optischen Dreiecksgitter demonstriert werden. Des Weiteren wurden unter Verwendung des fermionischen Isotops 173Yb ein- bis sechskomponentige quantenentartete Fermigase mit bis zu 8x10^4 Atomen bei 15% der Fermitemperatur erzeugt. Zur koharenten Praparation von Yb-Quantengasen im metastabilen 3P0-Zustand wurde als wichtiger Teil dieser Arbeit ein hochstabiler Laser fur die Anregung des 1S0-3P0 Uhrenubergangs bei 578nm entwickelt. Mit einer Kurzzeitstabilitat von etwa 1 Hz eroffnet dieser Laser vielfaltige Moglichkeiten der gezielten Manipulation und Detektion von ultrakalten Yb-Vielteilchensystemen. Die Kontrolle des elektronischen Zustands wurde anhand von Rabi-Spektroskopie auf dem 1S0-3P0 Ubergang von quantenentartetem 173Yb in einem dreidimensionalen optischen Gitter gezeigt. In einem Spin-polarisierten Ensemble konnen mehr als 90% der Atome im metastabilen 3P0 prapariert werden. Die koharente Anregung in hohere Bander des optischen Gitters ist durch die Adressierung von Vibrationsseitenbandern moglich. Schlieslich wurden erste Experimente zur Kontrolle des elektronischen Zustands in wechselwirkenden Spin-Mischungen durchgefuhrt. Diese weisen Anzeichen von wechselwirkungsinduzierten Linienverschiebungen auf. Die in dieser Arbeit vorgestellten Praparations- und Manipulationstechniken stellen einen guten Ausgangspunkt dar, um die neuartige Physik von Yb-Quantengasen zu untersuchen.

•Sep 10, 2014•1 citation

Towards Quantum Simulation of the Kondo-Lattice-Model

André Kochanke

Ultracold quantum gases of alkaline-earth-like metals are a versatile tool to investigate interacting many-body physics by realizing clean and controllable experimental model systems. Their intriguing properties range from energetically low-lying clock transitions, which allow for high-resolution spectroscopy, over meta-stable states, which can be regarded as a second species with orbital degree of freedom, to SU(N) symmetry, allowing novel magnetic phases. These open up new possibilities for quantum simulators. Using them in combination with optical lattices dissipative Fermi-Hubbard models and the Kondo-lattice-model can be realized, two promising examples for probing strongly correlated systems. This thesis presents an experimental apparatus for producing ultracold samples of fermionic 173Yb (N≤6). A new bicolor dipole trap was implemented with a final, average trap frequency of 36Hz. Using optical, resonant pumping and an Optical-Stern-Gerlach scheme, the spin mixture can arbitrarily be changed from a six- to a one-component gas. Typically the degenerate Fermi gases consist of 87000 atoms at 17.5%TF (N=6) and of 47000 atoms at 19.4%TF (N=1). The lowest lying meta-stable state 3P0 (578nm) is coherently controlled using a clock-laser setup with a linewidth of FWHM=1Hz by means of Rabi oscillations or rapid adiabatic passage. By conducting spectroscopic measurements in a 3D magic lattice (759nm) we demonstrate interband transitions and observe the 1S0⇔3P0 excitation with a resolution of FWHM=50(2)Hz. Applying these techniques to a two-component spin mixture reveals a shift of the clock-transition caused by spin-exchange interaction between the orbital symmetric |eg>(+)|↑↓>(-) and the orbital antisymmetric |eg>(-)|↑↓>(+) state. Using the inelastic properties of the 3P0 state a dissipative Fermi-Hubbard model is realized. The dynamics in this system can not be described by a simple two-body loss model. We identify two relevant time scales and observe a spin dependence of the g(2) correlation function. The here presented apparatus and experimental results constitute an important step towards a profound understanding of strongly correlated many-body systems and for bridging the gap between quantum gases and condensed matter physics. Ultrakalte Quantengase mit erdalkali-ahnlichen Metallen stellen ein vielseitiges Werkzeug dar, um Vielteilchensysteme mit Wechselwirkung zu untersuchen. Dabei ist man in der Lage, diese experimentellen Modellsysteme in einer sauberen und kontrollierbaren Weise umzusetzen. Durch ihre faszinierenden Eigenschaften, z.B. energetisch niedrig liegende Uhrenubergange, welche hochauflosende Spektroskopie ermoglichen, metastabile Zustande, die als unabhangige Teilchensorte mit orbitalem Freiheitsgrad betrachtet werden konnen oder SU(N)-Symmetrie, welche neuartige magnetische Phasen hervorbringen kann, konnen neue Arten von Quantensimulatoren ermoglicht werden. Im Zusammenspiel mit optischen Gittern konnen diese Metalle dissipative Fermi-Hubbard-Modelle und das Kondo-Gitter-Modell realisieren, zwei vielversprechende Beispiele fur stark korrelierte Systeme. Diese Abschlussarbeit prasentiert einen experimentellen Aufbau zur Herstellung von ultrakalten Gasen mit 173Yb (N≤6). Eine neue, zweifarbige Dipolfalle wurde aufgebaut und erreicht eine Endfallenfrequenz von 36Hz. Durch Benutzung von resonantem, optischem Pumpen und einem Optischen-Stern-Gerlach System kann eine beliebige Spinmischung zwischen einer und sechs Komponenten erzeugt werden. Typischerweise besteht ein entartetes Fermigas aus 87000 Atomen bei 17.5%TF (N=6) und aus 47000 Atomen bei 19.4%TF (N=1). Der niedrigst liegende metastabile Zustande 3P0 (578nm) kann mithilfe eines Uhrenlasers, dieser hat eine Linienbreite von FWHM=1Hz, durch Rabioszillationen oder einer rapiden-adiabatischen-Passage populiert werden. Durch spektroskopische Messungen in einem magischen 3D Gitter (759nm) demonstrieren wir Ubergange zwischen verschiedenen Bandern und beobachten die 1S0⇔3P0 Anregung mit einer Auflosung von FWHM=50(2)Hz. Unter Anwendung dieser Technik bei einer zweikomponentigen Mischung ergibt sich ein Frequenzversatz des Uhrenubergangs durch Spinwechselwirkung zwischen dem orbital symmetrischen |eg>(+)|↑↓>(-) und orbital antisymmetrischen |eg>(-)|↑↓>(+) Zustand. Unter Ausnutzung der inelastischen Wechselwirkung des 3P0 Zustands wird ein dissipatives Fermi-Hubbard Modell realisiert. Die Dynamik in diesem System kann nicht mit einem einfachen Zweikorperverlust-Modell beschrieben werden. Wir identifizieren zwei relevante Zeitskalen und beobachten eine Spinabhangigkeit der g(2) Korrelationsfunktion. Der hier vorgestelle Aufbau und die experimentellen Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zum Verstandnis von stark korrelierten Vielteilchensystemen dar und verbinden die Forschungsfelder von Quantengasen und kondensierter Materie.

•May 12, 2017•0 citations

Heteronuclear quantum gas mixtures

C. Ospelkaus, S Ospelkaus

This PhD tutorial article is a review of our experiments on heteronuclear quantum gas mixtures at the University of Hamburg. We introduce basic properties of trapped Fermi-Bose mixtures and demonstrate the achievement of large quantum degenerate mixtures of 40K and 87Rb. Using heteronuclear Feshbach resonances, we show how the heteronuclear interaction can be tuned, allowing us to induce phase separation and collapse for large repulsive and attractive interactions, respectively. We realize Fermi-Bose mixtures in 3D optical lattices as a novel quantum many-body system and study coherence properties of the mixture. Combining our experiments on lattices and Feshbach resonances, we present the first realization of ultracold heteronuclear Feshbach molecules. The molecules are created at individual sites of a 3D optical lattice. We discuss lifetime, binding energy and rf association efficiency in terms of a universal model and give an outlook for possible future developments.

arXiv:0808.4147•Journal of Physics B Atomic Molecular and Optical Physics•Oct 1, 2008•9 citations

Fermi-Bose mixtures : From mean-field interactions to ultracold chemistry

C. Ospelkaus

Seit der Beobachtung von Bose-Einstein-Kondensation in einkomponentigen bosonischen Gasen und der Realisierung von spin-polarisierten idealen Fermigasen entwickelt sich das (noch sehr junge) Feld der ultrakalten Quantengase rasch in Richtung mehrkomponentiger Gase. Das letztendlich weiteste Spektrum an Moglichkeiten fur quantenmechanische Simulation, ultrakalte Chemie, exotische Paarbildungsmechanismen, Unordnungsphanomene und langreichweitige Wechselwirkung wird eroffnet durch Mischungen unterschiedlicher atomarer Elemente mit unterschiedlicher Statistik, unterschiedlichen Wechselwirkungen und Massen. Diese Dissertation stellt Experimente in einem System wechselwirkender, entarteter Mischungen aus fermionischen 40K und bosonischen 87Rb Quantengasen vor. Ein zusammen mit S. Ospelkaus aufgebautes Experiment zur Erzeugung von Fermi-Bose Mischungen wird detailliert vorgestellt. Bose-Einstein-Kondensation von 87Rb und die Erzeugung eines quantenentarteten Fermigases aus 40K wird demonstriert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Mischungen aus 87Rb und 40K mit den bislang grosten Teilchenzahlen realisiert. Die entsprechend hohen Dichten fuhren zur Beobachtung starker kontrahierender Effekte der attraktiven Fermi-Bose-Wechselwirkung, die das Verhalten der Mischung fundamental beeinflussen. Eindeutige Signaturen eines Kollapses fur grose Mischungen werden aufgezeigt, und das dynamische Verhalten der kollabierenden Mischung wird untersucht. Die beobachteten Instabilitaten haben wichtige Konsequenzen fur die Bestimmung der Wechselwirkungsparameter. Erstmalig wird die Durchstimmung heteronuklearer Wechselwirkung mittels Feshbach-Resonanzen demonstriert. Dies fuhrt zur Beobachtung aller Phasen harmonisch gespeicherter Mischungen: stabile, attraktiv oder repulsiv wechselwirkende Mischungen sowie Phasenseparation und ein kontrollierter Feshbach-induzierter Kollaps. Das hier beschriebene Experiment wurde von Beginn an fur Messungen in dreidimensionalen optischen Gittern ausgelegt. Fur homonukleare Systeme hat weltweit eine beeindruckende Reihe von Ergebnissen gezeigt, dass solche perfekten optischen Kristallgitter als Quantensimulatoren fur Festkorperphanomene dienen konnen. In dieser Dissertation wurde erstmalig eine Fermi-Bose Mischung in ein dreidimensionales optisches Gitter geladen. Dabei wird beobachtet, dass schon eine kleine Beimengung von fermionischen Atomen die Koharenz der bosonischen Wolke in betrachtlichem Mase beeinflusst. Diese Beobachtung ist momentan Gegenstand intensiver theoretischer Untersuchungen; es werden Beziehungen zu Thermodynamik im Gitter, Modellen in Naherung und unordnungsgetriebenen Lokalisierungsphanomenen in Festkorpern diskutiert. Als wichtiger Schritt fur heteronukleare Systeme wird die Erzeugung ultrakalter Feshbach-Molekule vorgestellt. Diese ultrakalte chemische Reaktion findet an einer heteronuklearen Feshbachresonanz statt. Das beobachtete Spektrum der Bindungsenergien und die Effizienz der Molekulassoziation werden im Rahmen eines universellen Modelles (in Zusammenarbeit mit F. Deuretzbacher, K. Plassmeier und D. Pfannkuche) untersucht. Die langlebigen Molekule werden an einzelnen Gitterplatzen eines dreidimensionalen optischen Gitters in einem wohldefinierten Rovibrationszustand erzeugt, was sie zu idealen Kandidaten fur einen weiteren Transfer in den absoluten internen und externen Grundzustand mittels Femtosekunden-Frequenzkammtechnologie macht. Solche ultrakalten polaren Molekuleeignen sich als Bausteine neuartiger skalierbarer Quantencomputer, fur Quantengase mit langreichweitiger Wechselwirkung und fur fundamentale Messungen zu diskreten Symmetrieverletzungen in Atomen. Starting with the observation of Bose-Einstein condensation in single-component bosonic gases and Fermi degeneracy in spin-polarized Fermi gases, the (still relatively young) field of ultracold quantum gases is rapidly expanding to studies of mixed systems. Ultimately, mixtures of different atomic species with different statistics, different trapping properties, interactions and masses open up the widest spectrum of possibilities for quantum simulation, ultracold chemistry, exotic pairing phases, disorder-related many-body physics and long-range interacting systems. This thesis presents experiments in a system of interacting quantum degenerate fermionic 40K and bosonic 87Rb atoms. An experimental setup for producing Fermi-Bose mixtures which has been set up together with S. Ospelkaus is described in detail. The observation of both bosonic and fermionic degeneracy is demonstrated; in the case of fermionic atoms, showing the quantum behavior requires thorough analysis, which is rewarded by the observation of an ideal macroscopic Fermi sea. This thesis presents mixtures with the so far largest particle numbers for the 40K-87Rb system and discusses measurements with high densities where strong mean-field contracting interaction effects affect the behavior of the mixture. Clear signatures of the mean field collapse of large mixtures are observed, the dynamics of the collapsing sample is studied and important consequences for the interaction parameters are discussed. Tuning of interactions in a harmonically trapped heteronuclear mixture by means of Feshbach resonances is demonstrated for the first time, allowing all phases of the harmonically trapped mixture to be observed: stable heteronuclear interaction and repulsion as well as phase separation and a controlled Feshbach-induced collapse. From the very beginning, the setup described here has been designed for experiments in 3-dimensional optical lattices. In recent years, an impressive series on experiments with homonuclear systems has shown that such perfect optical crystals can be used as quantum simulators for condensed-matter phenomena. Within this thesis, a heteronuclear system, in particular a Fermi-Bose mixture, has been loaded into a 3D optical lattice for the first time, and only a very small fraction of fermionic impurities has been found to significantly reduce the coherence in the bosonic cloud. The observations are currently the subject of intense theoretical analysis, and there are important connections to thermodynamics, advanced mean field models and disorder physics. As a long-awaited step for heteronuclear systems, formation of ultracold Feshbach molecules from two different atomic elements is demonstrated. This ultracold chemical reaction takes place at temperatures in the nK regime at a heteronuclear Feshbach resonance. A detailed understanding of the observed energy spectrum and the molecular association process has been developed in collaboration with F. Deuretzbacher, K. Plassmeier and D. Pfannkuche in terms of a universal model. Long-lived molecules are produced within single wells of the 3D-optical lattice in a well-defined rovibrational state, which makes them an ideal basis for coherent transfer into both the external and internal ground state using readily available femtosecond technology. Such all ground state polar molecules open up the way towards ultracold long-range dipolar interacting systems. They may be used as building blocks of novel quantum gases, scalable quantum computation schemes and for fundamental measurements of P and T violating effects in atoms.

•Feb 28, 2007•3 citations

Towards a low-dimensional degenerate Fermi-Fermi-Bose mixture

Christoph Graf vom Hagen

Diese Arbeit beschriebt ein Pilot-Experiment zur Erzeugung einer quantenentarteten Mischung aus zwei Fermi Gasen. Aus Messungen an 6Li (Fermion) and 87Rb (Boson) wurde der unelastische Verlustratenkoeffizient in einer Magneto-Optischen Falle (MOT) bestimmt. Der Wert diese Koefizienten wurde auf beta_LiRb=(1.5 pm 0.5) 10^10cm^3/s bestimmt. Das gemeinsame speichern dieser Mischung in einer magnetischen Falle wurde demonstriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit, in Kombination mit Ergebnissen aus anderen Forschungsgruppen, führten zum Aufbau eines zukunftsweisenden Experiments. Das Design und der anschliessende Aufbau dieser Apparatur werden im Detail beschrieben. Im Ergebnis steht nun eine ideale Apparatur zur Untersuchung von entarteten Quantengasen in niedrigen Dimensionen zur Verfügung. Derzeit ermöglicht die Mischung aus 40K und 87Rb Experimente mit Bose-Fermi Mischungen auf Atom Chips. Mit der geplanten Erweiterung der Anlage auf 6Li werden Experimente mit zwei verschiedenen Fermionen in niederdimensionalen Fallen erstmals möglich werden. Die Wechselwirkung von leichten und schweren Fermionen, sowie die unterschiedliche Wechselwirkung zwischen Bosonen und Fermionen mit anziehendem (KRb) und abstossendem (LiRb) Potential können hier ebenso untersucht werden. Diese Art der Wechelwirkung kann sonst nur in der Umgebung einer Feshbach Resonanz untersucht werden.

•Jan 1, 2008•4 citations

Interacting Bose-Fermi mixtures in optical lattices

Thorsten Best

In this thesis, we investigate mixtures of quantum degenerate Bose and Fermi gases of neutral atoms in threedimensional optical lattices. Feshbach resonances allow to control interspecies interactions in these systems precisely, by preparing suitable combinations of internal atomic states and applying external magnetic fields. This way, the system behaviour can be tuned continuously from mutual transparency to strongly interacting correlated phases, up to the stability boundary.rnThe starting point for these investigations is the spin-polarized \nfermionic band insulator. The properties of this non-interacting system are fully determined by the Pauli exclusion principle for the occupation of states in the lattice. A striking demonstration of the latter can be found in the antibunching of the density-density correlation of atoms released from the lattice. If bosonic atoms are added to this system, isolated heteronuclear molecules can be formed on the lattice sites via radio-frequency stimulation. The efficiency of this process hints at a modification of the atom number distribution over the lattice caused by interspecies interaction.rnIn the following, we investigate systems with tunable interspecies interaction. To this end, a method is developed which allows to assess the various contributions to the system Hamiltonian both qualitatively and quantitatively by following the quantum phase diffusion of the bosonic matter wave.rnBesides a modification of occupation number statistics, these measurements show a significant renormalization of the bosonic \nHubbard parameters. The final part of the thesis considers the implications of this renormalization effect on the many particle physics in the mixture. Here, we demonstrate how the quantum phase transition from a bosonic superfluid to a Mott insulator state is shifted towards considerably shallower lattices due to renormalization.

•Jan 1, 2011•3 citations
Recent years have seen spectacular progress towards the realization of novel strongly correlated systems with homonuclear ultracold quantum gases. The strongly correlated regime has been demonstrated to be accessible both by means of strong, periodic confinement as demonstrated in experiments with optical lattices and through strong resonant interactions which can be produced by means of Feshbach resonances.
Given the impressive development seen in homonuclear systems, heteronuclear systems composed of particles with different quantum-statistical behavior (Fermi-Bose mixtures) offer an even wider spectrum of possibilities for quantum simulation and strongly correlated phases, in particular when loaded into an optical lattice and combined with the possibility of almost arbitrary interactions through Feshbach resonances.
In this thesis, experiments with Fermi-Bose mixtures in 3-dimensional optical lattices and under the influence of tunable heteronuclear interactions are presented. An experiment allowing for the creation of large mixtures of quantum degenerate fermionic 40K and bosonic 87Rb gases has been set up together with C. Ospelkaus. The onset of degeneracy in both components is demonstrated, and effects of the heteronuclear attractive background interaction are studied.
Heteronuclear Feshbach resonances have been used for the first time in order to change the interaction properties of the mixture in a controlled fashion. This has allowed the study of the complete phase diagram of harmonically trapped mixtures, ranging from stable attractively interacting mixtures over a Feshbach-driven controlled mean field collapse of the system for strong attractive interactions, the onset of phase separation for strong repulsive interactions to stable, repulsively interacting mixtures. The studies of Feshbach resonances have also led to the identification of the first p-wave heteronuclear resonance.
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This thesis documents the first realization of a Fermi-Bose quantum many-body system in a 3D optical lattice. In these experiments, the effect of a small fermionic fraction on the coherence properties of the bosonic sample is investigated. Already a small fermionic impurity fraction strongly affects the coherence properties of the bosonic cloud. The quantitative analysis shows that in the presence of the fermionic component, decoherence of the bosonic ensemble occurs at much lower lattice depths than for a pure bosonic sample. The surprisingly large effect has triggered an intense discussion on possible explanations in terms of thermodynamic properties, mean field models and disorder-related localization scenarios.
Combining tunable interactions with 3-dimensional optical lattices, formation of heteronuclear Feshbach molecules in single wells of the lattice is demonstrated for the first time, along with a determination of the molecular binding energy and lifetime. By subsequent two-color photoassociation schemes, these (externally) ground state molecules may be transferred into their internal ground state where they exhibit a permanent electric dipole moment. This may result in the realization of novel quantum gases with anisotropic interactions.
Das Feld ultrakalter homonuklearer Quantengase wurde in den letzten Jahren durch fundamentale Fortschritte in der Realisierung stark korrelierter Systeme gepragt. Das Regime starker Korrelation wurde sowohl durch starke aussere Einschlusspotentiale in optischen Gittern als auch durch starke resonante Wechselwirkung an einer Feshbach-Resonanz erreicht.
Heteronukleare Systeme gemischter Quantenstatistik (Fermi-Bose Mischungen), kombiniert mit dreidimensionalen optischen Gittern und einstellbarer Wechselwirkung, eroffnen die Perspektive, fundamental neue Quantenphasen stark korrelierter Systeme zu realisieren und in einer extrem reinen und kontrollierbaren Umgebung zu studieren.
In dieser Arbeit wurde zusammen mit C. Ospelkaus ein Experiment zum Studium ultrakalter Fermi-Bose Mischungen aus 40K und 87Rb in dreidimensionalen optischen Gittern mit einstellbarer Wechselwirkung aufgebaut. Ausgehend von quantentarteten Mischungen groser Teilchenzahl wurden Effekte der attraktiven Hintergrundwechselwirkung zwischen den Konstituenten untersucht.
Die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung an einer heteronuklearen Feshbach-Resonanz wurde erstmalig demonstriert und die grundlegenden Phasen harmonisch gefangener Fermi-Bose Mischungen untersucht. Dies reicht von einem wechselwirkungsinduzierten Kollaps im Falle attraktiver Wechselwirkung uber stabile Mischungen attraktiver und repulsiver Wechselwirkung bis hin zur Phasenseparation im Falle starker repulsiver Wechselwirkung.
Periodische optische Potentiale bieten eine ideale Umgebung zur Simulation von Vielteilchen-Hamiltonoperatoren und niederdimensionalen Systemen. Grundlegende theoretische Ergebnisse fur fermionische und bosonische Systeme in optischen Gittern werden sowohl aus der Perspektive eines Einteilchenbildes als auch eines Vielteilchenbildes mit und ohne Wechselwirkung vorgestellt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Vielteilchensystem gemischter Statistik in einem dreidimensionalen optischen Gitter realisiert. In ersten Experimenten wurden die Koharenzeigenschaften der bosonischen Komponente unter dem Einfluss der fermionischen Atome untersucht. Bereits eine kleine Beimischung fermionischer Atome beeinflusst die Koharenzeigenschaften der Bosonen signifikant und induziert einen Koharenzverlust in der bosonischen Wolke bei wesentlich flacheren Gittern als im rein bosonischen System. Die Ursache dieses erstaunlich grosen Effektes wird derzeitig kontrovers diskutiert. Als mogliche Ursachen werden thermodynamische Eigenschaften des Ladeprozesses der Mischung in das Gitter, eine Verschiebung des Ubergangs einer superfluiden in eine Mott-isolierende Phase unter dem Einfluss der heteronuklearen Wechselwirkung sowie unordnungsinduzierte Lokalisierungsphanomene diskutiert.
Schlieslich wird die erstmalige Erzeugung langlebiger heteronuklearer Feshbach-Molekule in einem optischen Gitter vorgestellt. In diesen Experimenten wird die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung an einer Feshbach Resonanz mit dreidimensionalen optischen Gittern kombiniert. Die Effizienz des Assoziationsprozesses wird charakterisiert und die Bindungsenergie und Lebensdauer der Molekule gemessen. Fur heteronukleare Molekule aus 40K und 87Rb wird ein permanentes elektrisches Dipolmoment in ihrem absoluten Grundzustand vorhergesagt. Diese heteronuklearen Molekule bieten daher weitreichende Perspektiven zum Studium von Quantengasen anisotroper dipolarer Wechselwirkung.
Ultracold quantum degenerate gases of alkaline-earth-like atoms open up new perspectives for the investigation of strongly-correlated many-body physics. Long-lived metastable states in combination with a decoupled nuclear spin enable the realization of intriguing Hamiltonians beyond the possibilities of current alkali-based experiments, ranging from the Kondo lattice model to SU(N)-symmetric magnetic systems. Among the alkaline-earth-like elements, Yb is particularly versatile due to its large number of bosonic and fermionic isotopes with a wide range of interaction strengths. This thesis describes a newly-built setup for the study of quantum manybody physics with ultracold Yb, demonstrating the preparation of Bose-Einstein condensates and multi-component degenerate Fermi gases in an optical lattice with coherent control over the electronic state. Within this work we have implemented for the first time a two-dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) for the initial laser cooling of Yb. The slow atoms from the 2D-MOT can directly be loaded into a 3D-MOT operating on a narrow intercombination transition, and loading rates comparable with Zeeman slower setups are achieved. The flexibility and the compact setup of the 2D-MOT makes our setup well suited for the production of multi-element quantum gas mixtures in the future. Via evaporative cooling in a crossed optical dipole trap Bose-Einstein condensates of 174Yb with up to 2x10^5 atoms are produced. Loading the condensate into a triangular optical lattice, we observe the superfluid to Mott-insulator transition with Yb. Using the fermionic isotope 173Yb, quantum degenerate, multi-component Fermi gases with one to six spin components are obtained with up to 8x10^4 atoms at 15% of the Fermi temperature. In order to coherently prepare Yb quantum gases in the metastable 3P0 state, an ultrastable laser addressing the 1S0-3P0 clock transition at 578nm has been developed as a major part of this thesis. Exhibiting a short-term stability at the 1Hz-level, this laser will serve as an important tool for the manipulation and probing of strongly-correlated many-body systems of ultracold Yb. Control over the electronic state is demonstrated by Rabi spectroscopy on the 1S0-3P0 transition of quantum degenerate 173Yb in a three-dimensional optical lattice. In a spin-polarized sample more than 90% of the atoms can be prepared in the metastable 3P0 state. Driving a vibrational sideband transition, the atoms can also be coherently excited to higher bands in the optical lattice. Moreover, first experiments towards the electronic state control of interacting spin mixtures are performed, exhibiting signatures of interaction-induced lineshifts. The preparation and manipulation techniques presented in this thesis constitute an important step towards the exploration of novel quantum many-body physics with ultracold Yb. Ultrakalte Quantengase aus Erdalkali-ahnlichen Atomen eroffnen neue Moglichkeiten zur Untersuchung stark korrelierter Quantenvielteilchensysteme. Langlebige metastabile Zustande kombiniert mit einem entkoppelten Kernspin ermoglichen es faszinierende Vielteilchensysteme zu realisieren, die uber die Moglichkeiten heutiger Alkali-basierter Experimente hinausgehen: Vom Kondo-Gitter-Modell bis hin zu SU(N)-symmetrischen magnetischen Systemen. Von allen Erdalkali-ahnlichen Elementen besticht vor allem Ytterbium (Yb) durch die Vielzahl von fermionischen und bosonischen Isotopen mit unterschiedlichen Wechselwirkungsstarken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer experimenteller Aufbau zur Erforschung von Quantenvielteilchensystemen aus ultrakalten Yb-Atomen realisiert. Mit diesem Aufbau wurden sowohl Bose-Einstein Kondensate, als auch mehrkomponentige Fermigase in einem optischen Gitter prapariert. Ferner wurde die koharente Kontrolle des elektronischen Zustands ultrakalter Atome demonstriert. In dem hier vorgestellten Aufbau wurde zum ersten Mal eine zweidimensionale magnetooptische Falle (2D-MOT) zur Erzeugung langsamer Yb-Atome implementiert. Die Atome aus der 2D-MOT konnen direkt in eine 3D-MOT auf einer schmalen Interkombinationslinie geladen werden. Die erzielten Laderaten sind mit denen von Zeeman slowern vergleichbar. Durch die Flexibilitat und den kompakten Aufbau der 2D-MOT ist unsere Apparatur besonders gut fur die Erzeugung mehrelementiger Quantengasmischungen in zukunftigen Experimenten geeignet. Mittels evaporativer Kuhlung in einer gekreuzten Dipolfalle wurden reine 174Yb Bose-Einstein Kondensate mit bis zu 2x10^5 Atomen realisiert. Anhand dieser Kondensate konnte der Mott-Isolator Ubergang in einem optischen Dreiecksgitter demonstriert werden. Des Weiteren wurden unter Verwendung des fermionischen Isotops 173Yb ein- bis sechskomponentige quantenentartete Fermigase mit bis zu 8x10^4 Atomen bei 15% der Fermitemperatur erzeugt. Zur koharenten Praparation von Yb-Quantengasen im metastabilen 3P0-Zustand wurde als wichtiger Teil dieser Arbeit ein hochstabiler Laser fur die Anregung des 1S0-3P0 Uhrenubergangs bei 578nm entwickelt. Mit einer Kurzzeitstabilitat von etwa 1 Hz eroffnet dieser Laser vielfaltige Moglichkeiten der gezielten Manipulation und Detektion von ultrakalten Yb-Vielteilchensystemen. Die Kontrolle des elektronischen Zustands wurde anhand von Rabi-Spektroskopie auf dem 1S0-3P0 Ubergang von quantenentartetem 173Yb in einem dreidimensionalen optischen Gitter gezeigt. In einem Spin-polarisierten Ensemble konnen mehr als 90% der Atome im metastabilen 3P0 prapariert werden. Die koharente Anregung in hohere Bander des optischen Gitters ist durch die Adressierung von Vibrationsseitenbandern moglich. Schlieslich wurden erste Experimente zur Kontrolle des elektronischen Zustands in wechselwirkenden Spin-Mischungen durchgefuhrt. Diese weisen Anzeichen von wechselwirkungsinduzierten Linienverschiebungen auf. Die in dieser Arbeit vorgestellten Praparations- und Manipulationstechniken stellen einen guten Ausgangspunkt dar, um die neuartige Physik von Yb-Quantengasen zu untersuchen.
Ultracold quantum gases of alkaline-earth-like metals are a versatile tool to investigate interacting many-body physics by realizing clean and controllable experimental model systems. Their intriguing properties range from energetically low-lying clock transitions, which allow for high-resolution spectroscopy, over meta-stable states, which can be regarded as a second species with orbital degree of freedom, to SU(N) symmetry, allowing novel magnetic phases. These open up new possibilities for quantum simulators. Using them in combination with optical lattices dissipative Fermi-Hubbard models and the Kondo-lattice-model can be realized, two promising examples for probing strongly correlated systems. This thesis presents an experimental apparatus for producing ultracold samples of fermionic 173Yb (N≤6). A new bicolor dipole trap was implemented with a final, average trap frequency of 36Hz. Using optical, resonant pumping and an Optical-Stern-Gerlach scheme, the spin mixture can arbitrarily be changed from a six- to a one-component gas. Typically the degenerate Fermi gases consist of 87000 atoms at 17.5%TF (N=6) and of 47000 atoms at 19.4%TF (N=1). The lowest lying meta-stable state 3P0 (578nm) is coherently controlled using a clock-laser setup with a linewidth of FWHM=1Hz by means of Rabi oscillations or rapid adiabatic passage. By conducting spectroscopic measurements in a 3D magic lattice (759nm) we demonstrate interband transitions and observe the 1S0⇔3P0 excitation with a resolution of FWHM=50(2)Hz. Applying these techniques to a two-component spin mixture reveals a shift of the clock-transition caused by spin-exchange interaction between the orbital symmetric |eg>(+)|↑↓>(-) and the orbital antisymmetric |eg>(-)|↑↓>(+) state. Using the inelastic properties of the 3P0 state a dissipative Fermi-Hubbard model is realized. The dynamics in this system can not be described by a simple two-body loss model. We identify two relevant time scales and observe a spin dependence of the g(2) correlation function. The here presented apparatus and experimental results constitute an important step towards a profound understanding of strongly correlated many-body systems and for bridging the gap between quantum gases and condensed matter physics. Ultrakalte Quantengase mit erdalkali-ahnlichen Metallen stellen ein vielseitiges Werkzeug dar, um Vielteilchensysteme mit Wechselwirkung zu untersuchen. Dabei ist man in der Lage, diese experimentellen Modellsysteme in einer sauberen und kontrollierbaren Weise umzusetzen. Durch ihre faszinierenden Eigenschaften, z.B. energetisch niedrig liegende Uhrenubergange, welche hochauflosende Spektroskopie ermoglichen, metastabile Zustande, die als unabhangige Teilchensorte mit orbitalem Freiheitsgrad betrachtet werden konnen oder SU(N)-Symmetrie, welche neuartige magnetische Phasen hervorbringen kann, konnen neue Arten von Quantensimulatoren ermoglicht werden. Im Zusammenspiel mit optischen Gittern konnen diese Metalle dissipative Fermi-Hubbard-Modelle und das Kondo-Gitter-Modell realisieren, zwei vielversprechende Beispiele fur stark korrelierte Systeme. Diese Abschlussarbeit prasentiert einen experimentellen Aufbau zur Herstellung von ultrakalten Gasen mit 173Yb (N≤6). Eine neue, zweifarbige Dipolfalle wurde aufgebaut und erreicht eine Endfallenfrequenz von 36Hz. Durch Benutzung von resonantem, optischem Pumpen und einem Optischen-Stern-Gerlach System kann eine beliebige Spinmischung zwischen einer und sechs Komponenten erzeugt werden. Typischerweise besteht ein entartetes Fermigas aus 87000 Atomen bei 17.5%TF (N=6) und aus 47000 Atomen bei 19.4%TF (N=1). Der niedrigst liegende metastabile Zustande 3P0 (578nm) kann mithilfe eines Uhrenlasers, dieser hat eine Linienbreite von FWHM=1Hz, durch Rabioszillationen oder einer rapiden-adiabatischen-Passage populiert werden. Durch spektroskopische Messungen in einem magischen 3D Gitter (759nm) demonstrieren wir Ubergange zwischen verschiedenen Bandern und beobachten die 1S0⇔3P0 Anregung mit einer Auflosung von FWHM=50(2)Hz. Unter Anwendung dieser Technik bei einer zweikomponentigen Mischung ergibt sich ein Frequenzversatz des Uhrenubergangs durch Spinwechselwirkung zwischen dem orbital symmetrischen |eg>(+)|↑↓>(-) und orbital antisymmetrischen |eg>(-)|↑↓>(+) Zustand. Unter Ausnutzung der inelastischen Wechselwirkung des 3P0 Zustands wird ein dissipatives Fermi-Hubbard Modell realisiert. Die Dynamik in diesem System kann nicht mit einem einfachen Zweikorperverlust-Modell beschrieben werden. Wir identifizieren zwei relevante Zeitskalen und beobachten eine Spinabhangigkeit der g(2) Korrelationsfunktion. Der hier vorgestelle Aufbau und die experimentellen Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zum Verstandnis von stark korrelierten Vielteilchensystemen dar und verbinden die Forschungsfelder von Quantengasen und kondensierter Materie.
This PhD tutorial article is a review of our experiments on heteronuclear quantum gas mixtures at the University of Hamburg. We introduce basic properties of trapped Fermi-Bose mixtures and demonstrate the achievement of large quantum degenerate mixtures of 40K and 87Rb. Using heteronuclear Feshbach resonances, we show how the heteronuclear interaction can be tuned, allowing us to induce phase separation and collapse for large repulsive and attractive interactions, respectively. We realize Fermi-Bose mixtures in 3D optical lattices as a novel quantum many-body system and study coherence properties of the mixture. Combining our experiments on lattices and Feshbach resonances, we present the first realization of ultracold heteronuclear Feshbach molecules. The molecules are created at individual sites of a 3D optical lattice. We discuss lifetime, binding energy and rf association efficiency in terms of a universal model and give an outlook for possible future developments.
Seit der Beobachtung von Bose-Einstein-Kondensation in einkomponentigen bosonischen Gasen und der Realisierung von spin-polarisierten idealen Fermigasen entwickelt sich das (noch sehr junge) Feld der ultrakalten Quantengase rasch in Richtung mehrkomponentiger Gase. Das letztendlich weiteste Spektrum an Moglichkeiten fur quantenmechanische Simulation, ultrakalte Chemie, exotische Paarbildungsmechanismen, Unordnungsphanomene und langreichweitige Wechselwirkung wird eroffnet durch Mischungen unterschiedlicher atomarer Elemente mit unterschiedlicher Statistik, unterschiedlichen Wechselwirkungen und Massen. Diese Dissertation stellt Experimente in einem System wechselwirkender, entarteter Mischungen aus fermionischen 40K und bosonischen 87Rb Quantengasen vor. Ein zusammen mit S. Ospelkaus aufgebautes Experiment zur Erzeugung von Fermi-Bose Mischungen wird detailliert vorgestellt. Bose-Einstein-Kondensation von 87Rb und die Erzeugung eines quantenentarteten Fermigases aus 40K wird demonstriert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Mischungen aus 87Rb und 40K mit den bislang grosten Teilchenzahlen realisiert. Die entsprechend hohen Dichten fuhren zur Beobachtung starker kontrahierender Effekte der attraktiven Fermi-Bose-Wechselwirkung, die das Verhalten der Mischung fundamental beeinflussen. Eindeutige Signaturen eines Kollapses fur grose Mischungen werden aufgezeigt, und das dynamische Verhalten der kollabierenden Mischung wird untersucht. Die beobachteten Instabilitaten haben wichtige Konsequenzen fur die Bestimmung der Wechselwirkungsparameter. Erstmalig wird die Durchstimmung heteronuklearer Wechselwirkung mittels Feshbach-Resonanzen demonstriert. Dies fuhrt zur Beobachtung aller Phasen harmonisch gespeicherter Mischungen: stabile, attraktiv oder repulsiv wechselwirkende Mischungen sowie Phasenseparation und ein kontrollierter Feshbach-induzierter Kollaps. Das hier beschriebene Experiment wurde von Beginn an fur Messungen in dreidimensionalen optischen Gittern ausgelegt. Fur homonukleare Systeme hat weltweit eine beeindruckende Reihe von Ergebnissen gezeigt, dass solche perfekten optischen Kristallgitter als Quantensimulatoren fur Festkorperphanomene dienen konnen. In dieser Dissertation wurde erstmalig eine Fermi-Bose Mischung in ein dreidimensionales optisches Gitter geladen. Dabei wird beobachtet, dass schon eine kleine Beimengung von fermionischen Atomen die Koharenz der bosonischen Wolke in betrachtlichem Mase beeinflusst. Diese Beobachtung ist momentan Gegenstand intensiver theoretischer Untersuchungen; es werden Beziehungen zu Thermodynamik im Gitter, Modellen in Naherung und unordnungsgetriebenen Lokalisierungsphanomenen in Festkorpern diskutiert. Als wichtiger Schritt fur heteronukleare Systeme wird die Erzeugung ultrakalter Feshbach-Molekule vorgestellt. Diese ultrakalte chemische Reaktion findet an einer heteronuklearen Feshbachresonanz statt. Das beobachtete Spektrum der Bindungsenergien und die Effizienz der Molekulassoziation werden im Rahmen eines universellen Modelles (in Zusammenarbeit mit F. Deuretzbacher, K. Plassmeier und D. Pfannkuche) untersucht. Die langlebigen Molekule werden an einzelnen Gitterplatzen eines dreidimensionalen optischen Gitters in einem wohldefinierten Rovibrationszustand erzeugt, was sie zu idealen Kandidaten fur einen weiteren Transfer in den absoluten internen und externen Grundzustand mittels Femtosekunden-Frequenzkammtechnologie macht. Solche ultrakalten polaren Molekuleeignen sich als Bausteine neuartiger skalierbarer Quantencomputer, fur Quantengase mit langreichweitiger Wechselwirkung und fur fundamentale Messungen zu diskreten Symmetrieverletzungen in Atomen. Starting with the observation of Bose-Einstein condensation in single-component bosonic gases and Fermi degeneracy in spin-polarized Fermi gases, the (still relatively young) field of ultracold quantum gases is rapidly expanding to studies of mixed systems. Ultimately, mixtures of different atomic species with different statistics, different trapping properties, interactions and masses open up the widest spectrum of possibilities for quantum simulation, ultracold chemistry, exotic pairing phases, disorder-related many-body physics and long-range interacting systems. This thesis presents experiments in a system of interacting quantum degenerate fermionic 40K and bosonic 87Rb atoms. An experimental setup for producing Fermi-Bose mixtures which has been set up together with S. Ospelkaus is described in detail. The observation of both bosonic and fermionic degeneracy is demonstrated; in the case of fermionic atoms, showing the quantum behavior requires thorough analysis, which is rewarded by the observation of an ideal macroscopic Fermi sea. This thesis presents mixtures with the so far largest particle numbers for the 40K-87Rb system and discusses measurements with high densities where strong mean-field contracting interaction effects affect the behavior of the mixture. Clear signatures of the mean field collapse of large mixtures are observed, the dynamics of the collapsing sample is studied and important consequences for the interaction parameters are discussed. Tuning of interactions in a harmonically trapped heteronuclear mixture by means of Feshbach resonances is demonstrated for the first time, allowing all phases of the harmonically trapped mixture to be observed: stable heteronuclear interaction and repulsion as well as phase separation and a controlled Feshbach-induced collapse. From the very beginning, the setup described here has been designed for experiments in 3-dimensional optical lattices. In recent years, an impressive series on experiments with homonuclear systems has shown that such perfect optical crystals can be used as quantum simulators for condensed-matter phenomena. Within this thesis, a heteronuclear system, in particular a Fermi-Bose mixture, has been loaded into a 3D optical lattice for the first time, and only a very small fraction of fermionic impurities has been found to significantly reduce the coherence in the bosonic cloud. The observations are currently the subject of intense theoretical analysis, and there are important connections to thermodynamics, advanced mean field models and disorder physics. As a long-awaited step for heteronuclear systems, formation of ultracold Feshbach molecules from two different atomic elements is demonstrated. This ultracold chemical reaction takes place at temperatures in the nK regime at a heteronuclear Feshbach resonance. A detailed understanding of the observed energy spectrum and the molecular association process has been developed in collaboration with F. Deuretzbacher, K. Plassmeier and D. Pfannkuche in terms of a universal model. Long-lived molecules are produced within single wells of the 3D-optical lattice in a well-defined rovibrational state, which makes them an ideal basis for coherent transfer into both the external and internal ground state using readily available femtosecond technology. Such all ground state polar molecules open up the way towards ultracold long-range dipolar interacting systems. They may be used as building blocks of novel quantum gases, scalable quantum computation schemes and for fundamental measurements of P and T violating effects in atoms.
Diese Arbeit beschriebt ein Pilot-Experiment zur Erzeugung einer quantenentarteten Mischung aus zwei Fermi Gasen. Aus Messungen an 6Li (Fermion) and 87Rb (Boson) wurde der unelastische Verlustratenkoeffizient in einer Magneto-Optischen Falle (MOT) bestimmt. Der Wert diese Koefizienten wurde auf beta_LiRb=(1.5 pm 0.5) 10^10cm^3/s bestimmt. Das gemeinsame speichern dieser Mischung in einer magnetischen Falle wurde demonstriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit, in Kombination mit Ergebnissen aus anderen Forschungsgruppen, führten zum Aufbau eines zukunftsweisenden Experiments. Das Design und der anschliessende Aufbau dieser Apparatur werden im Detail beschrieben. Im Ergebnis steht nun eine ideale Apparatur zur Untersuchung von entarteten Quantengasen in niedrigen Dimensionen zur Verfügung. Derzeit ermöglicht die Mischung aus 40K und 87Rb Experimente mit Bose-Fermi Mischungen auf Atom Chips. Mit der geplanten Erweiterung der Anlage auf 6Li werden Experimente mit zwei verschiedenen Fermionen in niederdimensionalen Fallen erstmals möglich werden. Die Wechselwirkung von leichten und schweren Fermionen, sowie die unterschiedliche Wechselwirkung zwischen Bosonen und Fermionen mit anziehendem (KRb) und abstossendem (LiRb) Potential können hier ebenso untersucht werden. Diese Art der Wechelwirkung kann sonst nur in der Umgebung einer Feshbach Resonanz untersucht werden.
In this thesis, we investigate mixtures of quantum degenerate Bose and Fermi gases of neutral atoms in threedimensional optical lattices. Feshbach resonances allow to control interspecies interactions in these systems precisely, by preparing suitable combinations of internal atomic states and applying external magnetic fields. This way, the system behaviour can be tuned continuously from mutual transparency to strongly interacting correlated phases, up to the stability boundary.rnThe starting point for these investigations is the spin-polarized \nfermionic band insulator. The properties of this non-interacting system are fully determined by the Pauli exclusion principle for the occupation of states in the lattice. A striking demonstration of the latter can be found in the antibunching of the density-density correlation of atoms released from the lattice. If bosonic atoms are added to this system, isolated heteronuclear molecules can be formed on the lattice sites via radio-frequency stimulation. The efficiency of this process hints at a modification of the atom number distribution over the lattice caused by interspecies interaction.rnIn the following, we investigate systems with tunable interspecies interaction. To this end, a method is developed which allows to assess the various contributions to the system Hamiltonian both qualitatively and quantitatively by following the quantum phase diffusion of the bosonic matter wave.rnBesides a modification of occupation number statistics, these measurements show a significant renormalization of the bosonic \nHubbard parameters. The final part of the thesis considers the implications of this renormalization effect on the many particle physics in the mixture. Here, we demonstrate how the quantum phase transition from a bosonic superfluid to a Mott insulator state is shifted towards considerably shallower lattices due to renormalization.