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

C. Ospelkaus

Published Feb 28, 2007• 3 citations
OpenAlex

Abstract

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.

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Wechselwirkungen in ultrakalten dipolaren Gasen

S. Hensler

Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEC), erfuhr das Feld der atomaren Quantengase eine rasante Entwicklung und stellt heute eines der spannendsten und interdisziplinärsten Feldern in der Atomphysik dar. Die Eigenschaften dieser Gase werden hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen bzw. Molekülen bestimmt, die in den bisher realisierten Kondensaten durch die Kontaktwechselwirkung dominiert wird. Theoretisches und experimentelles Interesse richtet sich seit kurzem auf weitere Wechselwirkungen in diesen entarteten Gasen. Insbesondere wurde die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol-Wechselwirkung in einem Quantengas, das aus in einem externen Feld ausgerichteten Dipolen besteht, theoretisch untersucht. Im Hinblick auf die Realisierung eines dipolaren atomaren Quantengases stellt Chrom dabei ein äußerst Erfolg versprechendes Element dar. Im Vergleich zu bisherigen BEC-Experimenten, in denen meist Alkali-Atome verwendet wurden, ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung um einen Faktor 36 größer und in seiner Stärke mit der Kontakt-Wechselwirkung vergleichbar. Ein wesentlich stärkeres Dipolmoment wird bei einem im elektrischen Feld ausgerichteten Cr-Rb-Molekül erwartet. In einem solchen Molekülgas wird die Wechselwirkung durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung dominiert. Zur Erzeugung solcher Quantengase wurde in dieser Arbeit ein neuer Aufbau konzipiert und realisiert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung ultrakalter, klassischer, bosonischer Cr-Gase, die zur Erzeugung eines dipolaren BECs dienen sollen. Ausgehend von einem lasergekühlten, magnetisch gespeicherten Cr-Ensemble wird in dieser Arbeit die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in diesem ultrakalten, dipolaren Gas experimentell studiert. Die theoretische Beschreibung durch die Streuung zweier Dipole führt dabei zu einem sehr allgemeinen Verständnis der Streuprozesse in dipolaren Gasen. In dieser Arbeit wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass bereits bei einem magnetischen Moment von sechs Bohrschen Magnetonen aufgrund von dipolaren Relaxationsstößen die Kondensation durch Evaporation der Cr-Atome in einer Magnetfalle nicht möglich ist. Die aus den Streuexperimenten gewonnenen Erkenntnisse bilden nun die Grundlage zur Entwicklung einer sehr aussichtsreichen Strategie. Dabei soll die Kondensation durch Verdampfungskühlen in einer optischen Falle im energetisch tiefsten Zustand der Dipole erfolgen, in dem keine Spinrelaxationsprozesse mehr möglich sind. Durch die Implementation dieses neuen Fallentyps für Cr wird somit eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einem BEC genommen. Obwohl es in dieser Arbeit noch nicht gelingt, die Atome in dieser Falle im energetische tiefsten Zustand zu polarisieren, können zwei Konzepte demonstriert werden, mit denen die Kondensation in diesem Fallentyp erreicht werden kann. Mit ersten Experimente an kombinierten Cr-Rb-Fallen wird in einem weiteren Teil dieser Arbeit ein neues Forschungsprojekt begonnen mit dem Ziel, ein entartetes heteronukleares Molekülgas aus einem zweikomponentigen entarteten Quantengas zu erzeugen. Es werden erste Resultate zum simultanen Betrieb zweier magneto-optischer Fallen (MOT) und dem überlagerten Betrieb von Rb-MOT und Cr-Magnetfalle vorgestellt.

•Jan 1, 2004•2 citations

Mixtures of Bosonic and Fermionic atoms

Alexander P. Albus

Ziel der Arbeit war die systematische theoretische Behandlung von Gemischen aus bosonischen und fermionischen Atomen in einem Parameterbereich, der sich zur Beschreibung von aktuellen Experimenten mit ultra-kalten atomaren Gasen eignet. Zuerst wurde der Formalismus der Quantenfeldtheorie auf homogene, atomare Boson-Fermion Gemische erweitert, um grundlegende Größen wie Quasiteilchenspektren, die Grundzustandsenergie und daraus abgeleitete Größen über die Molekularfeldtheorie hinaus zu berechnen. Unter Zuhilfenahme der dieser Resultate System wurde ein Boson-Fermion Gemisch in einem Fallenpotential im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie beschrieben. Daraus konnten die Dichteprofile ermittelt werden und es ließen sich drei Bereiche im Phasendiagramm identifizieren: (i) ein Bereich eines stabilen Gemisches, (ii) ein Bereich, in dem die Spezies entmischt sind und (iii) ein Bereich, in dem das System kollabiert. Im letzten dieser drei Fällen waren Austausch--Korrelationseffekte signifikant. Weiterhin wurde die Änderung der kritischen Temperatur der Bose-Einstein-Kondensation aufgrund der Boson-Fermion-Wechselwirkung berechnet. Verursacht wird dieser Effekt von Dichtumverteilungen aufgrund der Wechselwirkung. Dann wurden Boson-Fermion Gemische in optischen Gittern betrachtet. Ein Stabilitätskriterium gegen Phasenentmischung wurde gefunden und es ließen sich Bedingungen für einen supraflüssig zu Mott-isolations Phasenübergang angeben. Diese wurden sowohl mittels einer Molekularfeldrechnung als auch numerisch im Rahmen eines Gutzwilleransatzes gefunden. Es wurden weiterhin neuartige frustrierte Grundzustände im Fall von sehr großen Gitterstärken gefunden.

•Dec 1, 2003•0 citations

Condensation phenomena in interacting Fermi and Bose gases

M. Männel

In dieser Dissertation werden das Anregungsspektrum und das Phasendiagramm wechselwirkender Fermi- und Bosegase untersucht. Zu diesem Zweck wird eine neuartige renormierte Kadanoff-Martin-Näherung vorgestellt, die Selbstwechselwirkung von Teilchen vermeidet und somit eine einheitliche Beschreibung sowohl der normalen als auch der kondensierten Phase ermöglicht. Für Fermionen findet man den BCS-Zustand, benannt nach Bardeen, Cooper und Schrieffer, welcher entscheidend ist für das Phänomen der Supraleitung. Charakteristisch für diesen Zustand ist eine Energielücke im Anregungsspektrum an der Fermi-Energie. Weiterhin tritt für Bosonen eine Bose-Einstein-Kondensation (BEC) auf, bei der das Anregungsspektrum für kleine Impulse linear ist. Letzteres führt zum Phänomen der Suprafluidität. Über die bereits bekannten Phänomene hinaus findet man eine dem BCS-Zustand ähnliche Kondensation von Zweiteilchenbindungszuständen, sowohl für Fermionen als auch für Bosonen. Für Fermionen tritt ein Übergang zwischen der Kondensation von Bindungszuständen und dem BCS-Zustand auf, der sogenannte BEC-BCS-Übergang. Die Untersuchung der Zustandsgleichung zeigt, dass im Gegensatz zu Fermi-Gasen und Bose-Gasen mit abstoßender Wechselwirkung Bose-Gase mit anziehender Wechselwirkung zu einer Flüssigkeit kondensieren oder sich verfestigen, bevor es zur Kondensation von Bindungszuständen oder zur Bose-Einstein-Kondensation kommt. Daher können diese Phänomene voraussichtlich nicht in der Gasphase beobachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgestellte Näherungsverfahren sehr gut geeignet ist, die erwähnten Phänomene im Zusammenhang mit der Bose-Einstein-Kondensation zu beschreiben.

•Jun 27, 2011•33 citations

Ultrakalte Quantengase und Atomlaser

Schneider, Jens

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Bose-Einstein-Kondensation stark verdünnter atomarer Gase. Nach einer Einführung in die Theorie solcher schwach wechselwirkender Quantengase und einer Zusammenfassung wesentlicher experimenteller Ergebnisse aus dem Gebiet der Bose-Einstein-Kondensation wird zunächst die Physik ultrakalter, in Atomfallen gefangener Fermigase diskutiert. Dieses Gebiet hat sich in den letzten Jahren parallel zu dem der kondensierten Bosegase stark entwickelt und bietet vielversprechende Möglichkeiten, Modelle wie die BCS-Theorie erstmals in fast idealen Fermigasen zu untersuchen. Es werden Ergebnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften solcher Gase vorgestellt, die vor allem für mesoskopische Teilchenzahlen (unter 1000) relevant sind. Dabei wird insbesondere auf Schaleneffekte bei der Dichteverteilung in einer Atomfalle und bei der Wärmekapazität eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Physik von Atomlasern diskutiert. Als "Atomlaser" bezeichnet man Systeme, die in der Lage sind, kohärente Materiewellen aus Atomen zu erzeugen. Die einem Bose-Einstein-Kondensat inhärente Kohärenz wird in Experimenten genutzt, um mittels eines kohärent arbeitenden Auskoppelmechanismus solche Atomstrahlen herzustellen. Die zugehörige Physik wird durch die so genannte Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben, einer Art nichtlinearen Schrödingergleichung für die Wellenfunktionen der beteiligten Hyperfeinzustände des Bose-Einstein-Kondensats aus 87Rb-Atomen. In der vorliegenden Arbeit wurden unter anderem die Auskoppelstärke mittels analytischer und vor allem numerischer Methoden untersucht. Darüber hinaus konnten Aussagen über das zeitliche Verhalten von Atomlasern gewonnen, die mit zwei Radiofrequenzen betrieben werden. In diesem Fall wird der Atomstrahl aus zwei interferierenden Materiewellen verschiedener Energie gebildet, sodass kohärente, atomare Pulse mit makroskopischen Dimensionen auftreten. Im letzten Abschnitt wird mit der Spurafluidität ein weiterer, sehr interessanter Aspekt von kondensierten Bosegasen behandelt. Nach einer Einführung in die Bestimmung quantenstatistischer Eigenschaften von Vielteilchensystemem mithilfe von Pfadintegral-Monte-Carlo-Verfahren wird der suprafluide Anteil eines kondensierten Bosegases mit verschiedenen Approximationen berechnet. Dazu wird neben den Pfadintegralen eine auf so genannten Permutationszykeln beruhende Methode eingesetzt, mit der man die Zustandssumme von Bosonen im kanonischen Ensemble und damit auch viele andere Größen ausrechnen kann. Auf diese Weise konnte der suprafluide Anteil eines idealen Bosegases im kanonischen Ensemble erstmals vollständig quantenmechanisch exakt ermittelt werden.

•Jan 1, 2001•0 citations

Building and characterisation of a dual species quantum simulator

Nadine Meyer

Die Komplexitat vieler interessanter physikalischen Systeme macht es nahezu unmoglich diese auf herkommlichen Computern zu simulieren. Feynmans Idee eines Quantensimulators fur komplexe Systeme von 1982 bietet die Moglichkeit komplexe Phanomene ausserhalb der Reichweite eines normalen Computers mithilfe von massgeschneiderten Hamiltonians zu studieren. Die Welt der ultrakalten Atome bietet dafur mit unerreicht sauberen Quantengassystemen und flexiblen aber hoch prazise kontrollierbaren Parametern hervorragende Eigenschaften. Ultrakalte Quantengase sind daher ein perfektes Werkzeug fur die Realisierung von Quantensimulatoren und der Untersuchung von Phasenraumdiagrammen von Modellsystemen. Diese Arbeit stellt ein neues Experiment fur Bose-Fermi-Mischungen im Hinblick auf Quantensimulationen in optischen Gittern und willkurlichen Lichtpotentialen mit hoher optischer Auflosung fur Detektion und Manipulation vor. Der Aufbau einschliesslich neuer Technologieentwicklungen wurde auf hohe Wartungsfreiheit und Robustheit optimimiert. Beide Quantenstatistiken und verschiedene Wechselwirkungsregime werden mit Hilfe von Feshbachresonanzen untersucht werden konnen. Alle Entscheidungen bezuglich des Designs und des Aufbaus wurden hinsichtlich der Umsetzung von optischen Gittern und eines hochauflosenden Abbildungssystems getroffen. Das magneto-optische Fangen von Bose-Fermi-Mischungen mit 87Rb und 40K und die Bose-Einstein Kondensation (BEC) von 87Rb wurde erstmals in dieser Arbeitsgruppe verwirklicht. Das Laserkuhlen mit divergenten Strahlen wurde dabei erfolgreich demonstriert. Im Rahmen neuer Technologieentwicklungen wurde ein robustes, flexibles, miniaturisiertes Lasersystem fur zwei unterschiedliche Spezies zur Laserkuhlung designt, aufgebaut und getestet. Ein neues kompaktes Spulendesign mit hohem optischen Zugang und geringer Verlustleistung wurde entwickelt und fur die Realisierung des BECs verwendet. Dabei ist einer der Magnetspulensatze fur homogene Magnetfelder fur die Anwendung von Feshbachresonanzen optimiert worden. Desweiteren wurde eine vielseitige Vakuumversiegelungstechnik mit Indium realisiert. All diese Technologieentwicklungen zielen auf einen kompakten und robusten Aufbau mit hoher Flexibilitat ab. Die Atome werden zunachst in einem 2D-3D MOT Komplex eingefangen und lasergekuhlt. Danach werden die Atome magnetisch gefangen und mithilfe beweglicher Spulen zur Science chamber transportiert. RF Evaporation in der magnetischen Quadrupolfalle kuhlt das Ensemble soweit herunter, dass die Atomwolke in eine optische Dipolfalle geladen werden kann in welcher weitere Evaporation zur Bose-Einstein Kondensation von 87Rb fuhrt. Der Aufbau hat somit das Regime der Quantengase erreicht, eine notwendige Vorraussetzung fur Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen. Many interesting physical systems have one thing in common. Their complexity makes it impossible to simulate them on conventional computers. Feynman's idea of a quantum simulator for complex systems from 1982 gives the possibility to study complex phenomena out of the reach of normal computers with tailored Hamiltonians. The world of ultra cold atoms offers a wide range of tunable parameters combined with a degree of control in unprecedented clean systems. Ultra cold quantum gases are the ideal tool for the realisation of quantum simulators and the study of phase diagrams of model systems. This thesis presents a new setup for Bose-Fermi mixtures experiments with regard to quantum simulations in optical lattices and arbitrary light potentials with a high resolution for detection and atom manipulation. The setup was designed to be a low maintenance, robust tool box for quantum simulations incorporating new technology developments. Both fundamental quantum statistics can be observed and different interaction regimes can be investigated with the help of Feshbach resonances. From the beginning all decisions concerning the setup design take the implementation of optical lattices and a high resolution imaging system into account. The magneto-optical trapping of Bose-Fermi mixtures with 87Rb and 40K and the Bose-Einstein condensation (BEC) of 87Rb had been achieved. Another aim in the context of this thesis was the development and testing of new versatile technologies. A robust, flexible, miniaturised dual species laser system for laser cooling had been setup and tested. A new narrow coil design allowing for high magnetic fields with great optical access at a low power dissipation had been developed and used for the realisation of the BEC. One of the magnetic coil sets had been optimised for homogeneous magnetic fields for the application of Feshbach resonances. Furthermore an indium sealing technique for vacuum chambers had been realised. All these technology developments aimed for a compact and robust setup with high flexibility. For the procedure the atomic sample was first laser cooled and trapped in a combined 2D-3D MOT complex before the atoms are magnetically trapped and transported with a linear rail over a macroscopic distance to the science chamber. In the science chamber the atoms were transferred to a different magnetic trap where forced RF evaporation cooled the atomic cloud further down. Loading the atomic cloud into an optical dipole trap and further evaporation lead to the Bose-Einstein condensate of 87Rb. Hence, the setup reached the quantum regime necessary for quantum simulation for further studies.

•Aug 4, 2015•1 citation

Strongly interacting Fermi-Fermi and Fermi-Bose mixtures: from polarons to a Bose-condensed impurity cloud

Isabella Fritsche

In dieser Arbeit werden Messungen besprochen, die zur Untersuchung von stark wechselwirkenden Fermi-Fermi- und Fermi-Bose-Gemischen mit starkem Populationsungleichgewicht durchgeführt wurden. Wir verwenden eine Mischung aus fermionischem 6Li in Kombination mit entweder fermionischem 40K oder bosonischem 41K. Die letztere Spezies stellt die Minoritätskomponente dar und kann entsprechend als Verunreinigung in einem großen Fermi-Meer aus nichtwechselwirkenden Lithiumatomen angesehen werden. Zunächst untersuchten wir mit unserer Fermi-Fermi-Mischung die Echtzeitentwicklung des Fermi-Polarons, wobei wir die Koexistenz des metastabilen repulsiven Polarons und des attraktiven Polarons beobachteten. Außerdem beobachteten wir eine leichte Veränderung des Kontrasts des Systems, als wir die Dichte der Minoritätsspezies veränderten. Als nächster Schritt wechselten wir das Isotop von K und begannen, das neue Fermi-Bose-System zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass wir die kondensierten K-Atome als Thermometer für eine Untersuchung der Temperatur unserer Fermionen verwenden können. Bei der Erforschung der Interspezies-Feshbach-Resonanz fanden wir heraus, dass sich die beiden Spezies im Falle moderater repulsiver Wechselwirkungen, und wenn die Bosonen kondensiert sind, räumlich trennen. Wir charakterisierten das statische und dynamische Verhalten dieser Phasentrennung, wobei die Physik des gesamten Systems durch eine dünne Grenzfläche zwischen den beiden Spezies bestimmt wird. Schließlich fügten wir eine verdünnte Probe von Bosonen in das Fermi-Meer ein und untersuchten das Fermi-Polaron mit bosonischen Verunreinigungen. Wir fanden eine erstaunliche Überseinstimmung zwischen unseren Messungen mit einer endlicher Dichte der Minoritätskomponente und den theoretischen Voraussagen im Falle einer einzelnen Verunreinigung. Als wir allerdings die Dichte der Minoritätskomponente bis zu dem Punkt erhöhten, an dem die Bosonen kondensierten, beobachteten wir einen zusätzlichen Zweig im Polaronspektrum, der auf eine Koexistenz des Fermi- und des Bose-Polarons hindeutet.

•Jan 1, 2021•0 citations
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.
Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEC), erfuhr das Feld der atomaren Quantengase eine rasante Entwicklung und stellt heute eines der spannendsten und interdisziplinärsten Feldern in der Atomphysik dar. Die Eigenschaften dieser Gase werden hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen bzw. Molekülen bestimmt, die in den bisher realisierten Kondensaten durch die Kontaktwechselwirkung dominiert wird. Theoretisches und experimentelles Interesse richtet sich seit kurzem auf weitere Wechselwirkungen in diesen entarteten Gasen. Insbesondere wurde die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol-Wechselwirkung in einem Quantengas, das aus in einem externen Feld ausgerichteten Dipolen besteht, theoretisch untersucht. Im Hinblick auf die Realisierung eines dipolaren atomaren Quantengases stellt Chrom dabei ein äußerst Erfolg versprechendes Element dar. Im Vergleich zu bisherigen BEC-Experimenten, in denen meist Alkali-Atome verwendet wurden, ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung um einen Faktor 36 größer und in seiner Stärke mit der Kontakt-Wechselwirkung vergleichbar. Ein wesentlich stärkeres Dipolmoment wird bei einem im elektrischen Feld ausgerichteten Cr-Rb-Molekül erwartet. In einem solchen Molekülgas wird die Wechselwirkung durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung dominiert. Zur Erzeugung solcher Quantengase wurde in dieser Arbeit ein neuer Aufbau konzipiert und realisiert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung ultrakalter, klassischer, bosonischer Cr-Gase, die zur Erzeugung eines dipolaren BECs dienen sollen. Ausgehend von einem lasergekühlten, magnetisch gespeicherten Cr-Ensemble wird in dieser Arbeit die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in diesem ultrakalten, dipolaren Gas experimentell studiert. Die theoretische Beschreibung durch die Streuung zweier Dipole führt dabei zu einem sehr allgemeinen Verständnis der Streuprozesse in dipolaren Gasen. In dieser Arbeit wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass bereits bei einem magnetischen Moment von sechs Bohrschen Magnetonen aufgrund von dipolaren Relaxationsstößen die Kondensation durch Evaporation der Cr-Atome in einer Magnetfalle nicht möglich ist. Die aus den Streuexperimenten gewonnenen Erkenntnisse bilden nun die Grundlage zur Entwicklung einer sehr aussichtsreichen Strategie. Dabei soll die Kondensation durch Verdampfungskühlen in einer optischen Falle im energetisch tiefsten Zustand der Dipole erfolgen, in dem keine Spinrelaxationsprozesse mehr möglich sind. Durch die Implementation dieses neuen Fallentyps für Cr wird somit eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einem BEC genommen. Obwohl es in dieser Arbeit noch nicht gelingt, die Atome in dieser Falle im energetische tiefsten Zustand zu polarisieren, können zwei Konzepte demonstriert werden, mit denen die Kondensation in diesem Fallentyp erreicht werden kann. Mit ersten Experimente an kombinierten Cr-Rb-Fallen wird in einem weiteren Teil dieser Arbeit ein neues Forschungsprojekt begonnen mit dem Ziel, ein entartetes heteronukleares Molekülgas aus einem zweikomponentigen entarteten Quantengas zu erzeugen. Es werden erste Resultate zum simultanen Betrieb zweier magneto-optischer Fallen (MOT) und dem überlagerten Betrieb von Rb-MOT und Cr-Magnetfalle vorgestellt.
Ziel der Arbeit war die systematische theoretische Behandlung von Gemischen aus bosonischen und fermionischen Atomen in einem Parameterbereich, der sich zur Beschreibung von aktuellen Experimenten mit ultra-kalten atomaren Gasen eignet. Zuerst wurde der Formalismus der Quantenfeldtheorie auf homogene, atomare Boson-Fermion Gemische erweitert, um grundlegende Größen wie Quasiteilchenspektren, die Grundzustandsenergie und daraus abgeleitete Größen über die Molekularfeldtheorie hinaus zu berechnen. Unter Zuhilfenahme der dieser Resultate System wurde ein Boson-Fermion Gemisch in einem Fallenpotential im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie beschrieben. Daraus konnten die Dichteprofile ermittelt werden und es ließen sich drei Bereiche im Phasendiagramm identifizieren: (i) ein Bereich eines stabilen Gemisches, (ii) ein Bereich, in dem die Spezies entmischt sind und (iii) ein Bereich, in dem das System kollabiert. Im letzten dieser drei Fällen waren Austausch--Korrelationseffekte signifikant. Weiterhin wurde die Änderung der kritischen Temperatur der Bose-Einstein-Kondensation aufgrund der Boson-Fermion-Wechselwirkung berechnet. Verursacht wird dieser Effekt von Dichtumverteilungen aufgrund der Wechselwirkung. Dann wurden Boson-Fermion Gemische in optischen Gittern betrachtet. Ein Stabilitätskriterium gegen Phasenentmischung wurde gefunden und es ließen sich Bedingungen für einen supraflüssig zu Mott-isolations Phasenübergang angeben. Diese wurden sowohl mittels einer Molekularfeldrechnung als auch numerisch im Rahmen eines Gutzwilleransatzes gefunden. Es wurden weiterhin neuartige frustrierte Grundzustände im Fall von sehr großen Gitterstärken gefunden.
In dieser Dissertation werden das Anregungsspektrum und das Phasendiagramm wechselwirkender Fermi- und Bosegase untersucht. Zu diesem Zweck wird eine neuartige renormierte Kadanoff-Martin-Näherung vorgestellt, die Selbstwechselwirkung von Teilchen vermeidet und somit eine einheitliche Beschreibung sowohl der normalen als auch der kondensierten Phase ermöglicht. Für Fermionen findet man den BCS-Zustand, benannt nach Bardeen, Cooper und Schrieffer, welcher entscheidend ist für das Phänomen der Supraleitung. Charakteristisch für diesen Zustand ist eine Energielücke im Anregungsspektrum an der Fermi-Energie. Weiterhin tritt für Bosonen eine Bose-Einstein-Kondensation (BEC) auf, bei der das Anregungsspektrum für kleine Impulse linear ist. Letzteres führt zum Phänomen der Suprafluidität. Über die bereits bekannten Phänomene hinaus findet man eine dem BCS-Zustand ähnliche Kondensation von Zweiteilchenbindungszuständen, sowohl für Fermionen als auch für Bosonen. Für Fermionen tritt ein Übergang zwischen der Kondensation von Bindungszuständen und dem BCS-Zustand auf, der sogenannte BEC-BCS-Übergang. Die Untersuchung der Zustandsgleichung zeigt, dass im Gegensatz zu Fermi-Gasen und Bose-Gasen mit abstoßender Wechselwirkung Bose-Gase mit anziehender Wechselwirkung zu einer Flüssigkeit kondensieren oder sich verfestigen, bevor es zur Kondensation von Bindungszuständen oder zur Bose-Einstein-Kondensation kommt. Daher können diese Phänomene voraussichtlich nicht in der Gasphase beobachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgestellte Näherungsverfahren sehr gut geeignet ist, die erwähnten Phänomene im Zusammenhang mit der Bose-Einstein-Kondensation zu beschreiben.
Thema der vorliegenden Arbeit ist die Bose-Einstein-Kondensation stark verdünnter atomarer Gase. Nach einer Einführung in die Theorie solcher schwach wechselwirkender Quantengase und einer Zusammenfassung wesentlicher experimenteller Ergebnisse aus dem Gebiet der Bose-Einstein-Kondensation wird zunächst die Physik ultrakalter, in Atomfallen gefangener Fermigase diskutiert. Dieses Gebiet hat sich in den letzten Jahren parallel zu dem der kondensierten Bosegase stark entwickelt und bietet vielversprechende Möglichkeiten, Modelle wie die BCS-Theorie erstmals in fast idealen Fermigasen zu untersuchen. Es werden Ergebnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften solcher Gase vorgestellt, die vor allem für mesoskopische Teilchenzahlen (unter 1000) relevant sind. Dabei wird insbesondere auf Schaleneffekte bei der Dichteverteilung in einer Atomfalle und bei der Wärmekapazität eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Physik von Atomlasern diskutiert. Als "Atomlaser" bezeichnet man Systeme, die in der Lage sind, kohärente Materiewellen aus Atomen zu erzeugen. Die einem Bose-Einstein-Kondensat inhärente Kohärenz wird in Experimenten genutzt, um mittels eines kohärent arbeitenden Auskoppelmechanismus solche Atomstrahlen herzustellen. Die zugehörige Physik wird durch die so genannte Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben, einer Art nichtlinearen Schrödingergleichung für die Wellenfunktionen der beteiligten Hyperfeinzustände des Bose-Einstein-Kondensats aus 87Rb-Atomen. In der vorliegenden Arbeit wurden unter anderem die Auskoppelstärke mittels analytischer und vor allem numerischer Methoden untersucht. Darüber hinaus konnten Aussagen über das zeitliche Verhalten von Atomlasern gewonnen, die mit zwei Radiofrequenzen betrieben werden. In diesem Fall wird der Atomstrahl aus zwei interferierenden Materiewellen verschiedener Energie gebildet, sodass kohärente, atomare Pulse mit makroskopischen Dimensionen auftreten. Im letzten Abschnitt wird mit der Spurafluidität ein weiterer, sehr interessanter Aspekt von kondensierten Bosegasen behandelt. Nach einer Einführung in die Bestimmung quantenstatistischer Eigenschaften von Vielteilchensystemem mithilfe von Pfadintegral-Monte-Carlo-Verfahren wird der suprafluide Anteil eines kondensierten Bosegases mit verschiedenen Approximationen berechnet. Dazu wird neben den Pfadintegralen eine auf so genannten Permutationszykeln beruhende Methode eingesetzt, mit der man die Zustandssumme von Bosonen im kanonischen Ensemble und damit auch viele andere Größen ausrechnen kann. Auf diese Weise konnte der suprafluide Anteil eines idealen Bosegases im kanonischen Ensemble erstmals vollständig quantenmechanisch exakt ermittelt werden.
Die Komplexitat vieler interessanter physikalischen Systeme macht es nahezu unmoglich diese auf herkommlichen Computern zu simulieren. Feynmans Idee eines Quantensimulators fur komplexe Systeme von 1982 bietet die Moglichkeit komplexe Phanomene ausserhalb der Reichweite eines normalen Computers mithilfe von massgeschneiderten Hamiltonians zu studieren. Die Welt der ultrakalten Atome bietet dafur mit unerreicht sauberen Quantengassystemen und flexiblen aber hoch prazise kontrollierbaren Parametern hervorragende Eigenschaften. Ultrakalte Quantengase sind daher ein perfektes Werkzeug fur die Realisierung von Quantensimulatoren und der Untersuchung von Phasenraumdiagrammen von Modellsystemen. Diese Arbeit stellt ein neues Experiment fur Bose-Fermi-Mischungen im Hinblick auf Quantensimulationen in optischen Gittern und willkurlichen Lichtpotentialen mit hoher optischer Auflosung fur Detektion und Manipulation vor. Der Aufbau einschliesslich neuer Technologieentwicklungen wurde auf hohe Wartungsfreiheit und Robustheit optimimiert. Beide Quantenstatistiken und verschiedene Wechselwirkungsregime werden mit Hilfe von Feshbachresonanzen untersucht werden konnen. Alle Entscheidungen bezuglich des Designs und des Aufbaus wurden hinsichtlich der Umsetzung von optischen Gittern und eines hochauflosenden Abbildungssystems getroffen. Das magneto-optische Fangen von Bose-Fermi-Mischungen mit 87Rb und 40K und die Bose-Einstein Kondensation (BEC) von 87Rb wurde erstmals in dieser Arbeitsgruppe verwirklicht. Das Laserkuhlen mit divergenten Strahlen wurde dabei erfolgreich demonstriert. Im Rahmen neuer Technologieentwicklungen wurde ein robustes, flexibles, miniaturisiertes Lasersystem fur zwei unterschiedliche Spezies zur Laserkuhlung designt, aufgebaut und getestet. Ein neues kompaktes Spulendesign mit hohem optischen Zugang und geringer Verlustleistung wurde entwickelt und fur die Realisierung des BECs verwendet. Dabei ist einer der Magnetspulensatze fur homogene Magnetfelder fur die Anwendung von Feshbachresonanzen optimiert worden. Desweiteren wurde eine vielseitige Vakuumversiegelungstechnik mit Indium realisiert. All diese Technologieentwicklungen zielen auf einen kompakten und robusten Aufbau mit hoher Flexibilitat ab. Die Atome werden zunachst in einem 2D-3D MOT Komplex eingefangen und lasergekuhlt. Danach werden die Atome magnetisch gefangen und mithilfe beweglicher Spulen zur Science chamber transportiert. RF Evaporation in der magnetischen Quadrupolfalle kuhlt das Ensemble soweit herunter, dass die Atomwolke in eine optische Dipolfalle geladen werden kann in welcher weitere Evaporation zur Bose-Einstein Kondensation von 87Rb fuhrt. Der Aufbau hat somit das Regime der Quantengase erreicht, eine notwendige Vorraussetzung fur Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen. Many interesting physical systems have one thing in common. Their complexity makes it impossible to simulate them on conventional computers. Feynman's idea of a quantum simulator for complex systems from 1982 gives the possibility to study complex phenomena out of the reach of normal computers with tailored Hamiltonians. The world of ultra cold atoms offers a wide range of tunable parameters combined with a degree of control in unprecedented clean systems. Ultra cold quantum gases are the ideal tool for the realisation of quantum simulators and the study of phase diagrams of model systems. This thesis presents a new setup for Bose-Fermi mixtures experiments with regard to quantum simulations in optical lattices and arbitrary light potentials with a high resolution for detection and atom manipulation. The setup was designed to be a low maintenance, robust tool box for quantum simulations incorporating new technology developments. Both fundamental quantum statistics can be observed and different interaction regimes can be investigated with the help of Feshbach resonances. From the beginning all decisions concerning the setup design take the implementation of optical lattices and a high resolution imaging system into account. The magneto-optical trapping of Bose-Fermi mixtures with 87Rb and 40K and the Bose-Einstein condensation (BEC) of 87Rb had been achieved. Another aim in the context of this thesis was the development and testing of new versatile technologies. A robust, flexible, miniaturised dual species laser system for laser cooling had been setup and tested. A new narrow coil design allowing for high magnetic fields with great optical access at a low power dissipation had been developed and used for the realisation of the BEC. One of the magnetic coil sets had been optimised for homogeneous magnetic fields for the application of Feshbach resonances. Furthermore an indium sealing technique for vacuum chambers had been realised. All these technology developments aimed for a compact and robust setup with high flexibility. For the procedure the atomic sample was first laser cooled and trapped in a combined 2D-3D MOT complex before the atoms are magnetically trapped and transported with a linear rail over a macroscopic distance to the science chamber. In the science chamber the atoms were transferred to a different magnetic trap where forced RF evaporation cooled the atomic cloud further down. Loading the atomic cloud into an optical dipole trap and further evaporation lead to the Bose-Einstein condensate of 87Rb. Hence, the setup reached the quantum regime necessary for quantum simulation for further studies.
In dieser Arbeit werden Messungen besprochen, die zur Untersuchung von stark wechselwirkenden Fermi-Fermi- und Fermi-Bose-Gemischen mit starkem Populationsungleichgewicht durchgeführt wurden. Wir verwenden eine Mischung aus fermionischem 6Li in Kombination mit entweder fermionischem 40K oder bosonischem 41K. Die letztere Spezies stellt die Minoritätskomponente dar und kann entsprechend als Verunreinigung in einem großen Fermi-Meer aus nichtwechselwirkenden Lithiumatomen angesehen werden. Zunächst untersuchten wir mit unserer Fermi-Fermi-Mischung die Echtzeitentwicklung des Fermi-Polarons, wobei wir die Koexistenz des metastabilen repulsiven Polarons und des attraktiven Polarons beobachteten. Außerdem beobachteten wir eine leichte Veränderung des Kontrasts des Systems, als wir die Dichte der Minoritätsspezies veränderten. Als nächster Schritt wechselten wir das Isotop von K und begannen, das neue Fermi-Bose-System zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass wir die kondensierten K-Atome als Thermometer für eine Untersuchung der Temperatur unserer Fermionen verwenden können. Bei der Erforschung der Interspezies-Feshbach-Resonanz fanden wir heraus, dass sich die beiden Spezies im Falle moderater repulsiver Wechselwirkungen, und wenn die Bosonen kondensiert sind, räumlich trennen. Wir charakterisierten das statische und dynamische Verhalten dieser Phasentrennung, wobei die Physik des gesamten Systems durch eine dünne Grenzfläche zwischen den beiden Spezies bestimmt wird. Schließlich fügten wir eine verdünnte Probe von Bosonen in das Fermi-Meer ein und untersuchten das Fermi-Polaron mit bosonischen Verunreinigungen. Wir fanden eine erstaunliche Überseinstimmung zwischen unseren Messungen mit einer endlicher Dichte der Minoritätskomponente und den theoretischen Voraussagen im Falle einer einzelnen Verunreinigung. Als wir allerdings die Dichte der Minoritätskomponente bis zu dem Punkt erhöhten, an dem die Bosonen kondensierten, beobachteten wir einen zusätzlichen Zweig im Polaronspektrum, der auf eine Koexistenz des Fermi- und des Bose-Polarons hindeutet.