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.
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.
Die Quantensimulation ist ein leistungsstarkesWerkzeug zur Untersuchung hoch korrelierter Systeme. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung experimenteller Daten in Szenarien, in denen numerische Methoden die Komplexität von Vielteilchenproblemen nicht zuverlässig bewältigen können. In den letzten zehn Jahren haben Plattformen mit ultrakalten atomaren Gasen ihre Vielseitigkeit und Eignung als Quantensimulatoren unter Beweis gestellt. Heute liegt ein zentraler Schwerpunkt auf dem Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung auf mikroskopischer Ebene, wo die Fermi-Flüssigkeitstheorie und die Beschreibung der Supraleitung durch Cooper-Paare versagen. Ironischerweise sind ultrakalte Atomplattformen trotz ihrer niedrigen absoluten Temperaturen immer noch zu heiß, um das gesamte Fermi-Hubbard-Phasendiagramm zu untersuchen. Es werden weiterhin neue Wege zur Senkung der Temperaturen erforscht, um bisher unzugängliche Bereiche zu erkunden. In dieser Arbeit wird ein neues Quantengas-Experiment mit 166Er-6Li vorgestellt und die ersten experimentellen Ergebnisse präsentiert. Die Apparatur wird detailliert beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf den Er-Subsystemen liegt. Die verschiedenen Kühlstufen werden charakterisiert: Die Zeeman-Kühlung- und die “Angled slowing”, die in Kombination mit einer schmalbandigen magneto-optischen Falle verwendet werden, bilden den Ausgangspunkt. Der anschließende Transfer in eine optische Dipolfalle und der Transport über große Entfernungen mit einem optischen Gitter werden ebenfalls detailliert beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf dem Design und der Charakterisierung der Transportvorrichtung liegt. Die transportierten Atome werden in eine zweite optische Dipolfalle übertragen, die in einer Glaszelle localiziert ist, dort wird anschließend die exakte Vermessung einter tune-out Wellelänge von Er vorgenommen. Die Anisotropie der Ausstimmung wurde verwendet, um den Tensorwert der Polarisierbarkeit von Er zu bestimmen. Der dissipationsfreie Charakter der Falle wurde durch Lebensdauermessungen beider Spezies in ihren jeweiligen Fallen bestätigt. Schließlich wird über die erste Herstellung einer quantenentarteten Mischung aus 166Er und 6Li berichtet, die die Effizienz der sympathischen Kühlung von Li durch Er demonstriert. Dieses Ergebnis markiert den ersten Meilenstein für dieses Experiment, das darauf abzielt, mit einem Fermi-Gas ein bisher unerreichtes Maß an Entartung zu erreichen.
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.
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.
In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten, stark korrelierte Quantensysteme anhand der Bose-Fermi Mischung von Natrium und Lithium experimentell umzusetzen, untersucht. Zu diesem Zweck wurden die intraspezies Wechselwirkung von Natrium sowie die interspezies Wechselwirkung zwischen Natrium und Lithium erforscht. Durch eine quantitative Analyse des Natrium Feshbach Resonanz Spektrums konnten wir dessen Wechselwirkungseigenschaften präzise bestimmen und insbesondere die Genauigkeit der Energie des letzten gebundenen Zustands um einen Faktor 50 erhöhen. Zur Untersuchung der interspezies Wechselwirkungseigenschaften haben wir einen allgemeingültigen Ansatz entwickelt, dessen Anwendbarkeit wir anhand der Natrium-Lithium Mischung zeigen konnten: Vorzeichen und Größe der Streulänge wurden bestimmt und dieser Wert verwendet, um die Energie des letzten gebundenen Zustands zu bestimmen, was als Ausgangspunkt für die Erklärung des gemessenen Feshbach Spektrums diente. Im Spezialfall Natrium-Lithium konnten wir 23 der 26 beobachteten Resonanzen als d-Wellen einordnen. Dieses unerwartete Ergebnis wurde durch eine Coupled-Channels Rechnung bestätigt, deren Resultate für die Wechselwirkungseigenschaften auch mit den unabhängig experimentell ermittelten Größen übereinstimmen. Als ergänzende Herangehensweise, um stark korrelierte Systeme zu untersuchen, haben wir unseren experimentellen Aufbau durch ein optisches Gitter ergänzt. Wir konnten Methoden, um die Bandbesetzung zu bestimmen und kohärent zu manipulieren, demonstrieren und den interspezies Energieübertrag auf verschiedene Weisen untersuchen. Die Gitterfrequenz wurde mit besonderem Augenmerk auf die erreichbare Genauigkeit bestimmt. Der ermittelte Wert in Kombination mit den Ergebnissen der Wechselwirkungsanalyse zeigt, dass Fröhlich Polaronen in der ultrakalten Bose-Fermi Mischung von Natrium und Lithium erfolgreich über den Anstieg in effektiver Masse detektiert werden könnten.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats mit Rubidium-Atomen in einer stark anisotropen Fallengeometrie konzipiert und im Labor realisiert. Die Bose-Einstein-Kondensation von verdünnten atomaren Gasen wird durch verschiedene Einfang- und Kühlmethoden erreicht. Abweichend von bisherigen Experimenten wurden hier bei den einzelnen experimentellen Stufen zum Teil neue Wege begangen: Ausgehend von der Dampfphase bei Raumtemperatur wird ein intensiver Strahl kalter Atome mittels zweidimensionaler magnetooptischer Kühlung erzeugt. Dieser ermöglicht es, eine großvolumige magnetooptische Atomfalle mit einer hohen Atomzahl zu laden. Mit der hohen optischen Dichte geht zwar eine geringe Kühleffizienz einher, was jedoch durch einen speziellen Kühlschritt, eine verstimmte magnetooptische Fallen-Phase, behoben wird, um Temperaturen im Bereich der Polarisationsgradientenkühlung zu erreichen. Das so präparierte Atomensemble wird in einer Magnetfalle durch Verdampfungskühlung in ein Bose-Einstein-Kondensat überführt. Hierbei wirkt sich besonders die anisotrope Fallengeometrie auf die Effizienz des letzten Kühlschritts aus. Die hier realisierte Apparatur erlaubt es, in das quasi-eindimensionale Regime entarteter Quantengase mit einer gut detektierbaren Atomzahl vorzudringen. Ein analytisches Modell rundet die theoretische Beschreibung der zweidimensionalen magnetooptischen Kühlung ab. Darüberhinaus werden erste Experimente von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Gittern vorgestellt und der Einfluss von interatomarer Wechselwirkung aufgrund von s-Wellen-Streuung auf die Materiewellenbeugung an optischen Stehwellen diskutiert.