A Supersolid of Matter and Light
Julian Léonard
Abstract
A supersolid is a quantum phase of matter that demonstrates both solid and superfluid properties.In combination with gaseous and liquid superfluids it forms the triad of quantum phases analogous to the classical states of matter: solid, liquid and gas.Despite efforts in a number of systemsmost prominently helium-experimental verification of supersolidity has remained elusive.We report on the realization and characterization of a supersolid.A phase transition from a gaseous Bose-Einstein condensate to the supersolid crystal is induced by photon-mediated interactions among the atoms that are a result of symmetric coupling with the modes of two optical cavities.At the critical point, continuous translational symmetry is broken along one direction and a periodic density pattern with a coherent wave function forms.We verify both the structure formation and superfluidity by performing matterwave interference of the many-body wavefunction.The phase transition from the superfluid to the supersolid is marked by the onset of light fields in both optical cavities, whose amplitudes are equivalent to the real and imaginary part of the continuous symmetry.This unique real-time observable permits extensive studies of the supersolid state and the phase transition.We demonstrate a high ground-state degeneracy and observe the associated Higgs and Goldstone modes across the critical point.Their dynamics are visible as amplitude and phase oscillation in the cavity fields, facilitating studies on their decay and response.Approaching the phase transition, we examine the critical fluctuations of the density distribution in the vicinity of the critical point by permanently measuring the photon occupation of both cavities.The continuous symmetry is the result of symmetry enhancement from two competing order parameters with underlying discrete symmetries.In order to explore the crossover region between continuous and discrete symmetry breaking, we study the vicinity of the symmetry-enhanced region by creating a slight asymmetry in the two coupling strengths.We observe an increasing anisotropy in the distribution of the broken symmetry, accompanied by a rising mass of the Goldstone mode.The experiments were performed with a new apparatus that was constructed in the context of this thesis.The setup is optimized for a fast, robust preparation sequence of the quantum gas.We introduce a new method to transport ultracold atoms with focus-tunable lenses, which is superior to previously established methods in terms of flexibility, stability, costs and space requirements.Furthermore, the vacuum system features a conceptually new design including a transfer system that permits one to readily exchange the cavity setup.This establishes our experiment as a versatile quantum simulator to engineer atom-light interactions in various optical cavity environments.v ZUSAMMENFASSUNG Ein Suprasolid ist ein Quantenzustand der gleichzeitig feste und flüssige Eigenschaften aufweist.Gemeinsam mit gasförmigen und flüssigen Suprafluiden bildet er eine Dreiheit an Quantenzuständen in Analogie zu den klassischen Aggregatzuständen Gas, Flüssigkeit und Festkörper.Trotz Bestrebungen in verschiedenen Systemen -allen voran Helium -konnte ein Suprasolid noch nicht experimentell nachgewiesen werden.In dieser Arbeit wird die erste Herstellung und Charakterisierung eines solchen Suprasolids vorgestellt.Der Phasenübergang von einem gasförmigen Bose-Einstein-Kondensat zu dem suprasoliden Kristall wird von einer atomaren Wechselwirkung verursacht, die von Photonen aus zwei optischen Resonatoren getragen wird.Am kritischen Punkt bildet sich ein periodisches Dichtemuster in der kohärenten atomaren Wellenfunktion, das die kontinuierliche Translationssymmetrie des Kondensats entlang einer Richtung bricht.Wir weisen sowohl die Strukturbildung als auch die Suprafluidität durch Materiewellen-Interferenz der Vielteilchen-Wellenfunktion nach.Der Phasenübergang vom Suprafluid zum Suprasolid ist durch die Enstehung von Lichtfeldern in beiden Resonatoren gekennzeichnet, deren Amplituden dem realen und imaginären Teil der kontinuierlichen Symmetrie entsprechen.Diese einzigartige Echtzeit-Observable lässt weitreichende Studien des suprasoliden Zustands und des Phasenübergangs zu.Wir weisen eine hohe Entartung des Grundzustands nach und beobachten die entsprechenden Higgs-und Goldstone-Moden über den kritischen Punkt hinweg.Ihre Dynamik ist in den Resonatormoden als Amplituden-und Phasenoszillation sichtbar, was Studien zu ihrem Zerfall und Antwortverhalten ermöglicht.Nah am Phasenübergang untersuchen wir die kritischen Fluktuationen der Dichtemodulation, indem wir die Photonenbesetzung beider Resonatoren messen.Die kontinuierliche Symmetrie ist das Ergebnis einer Symmetrie-Erweiterung aus zwei konkurrierenden Ordnungsparametern mit zugrundeliegenden diskreten Symmetrien.Um den Übergang von der kontinuierlichen zur diskreten Symmetrie zu erforschen, studieren wir die Umgebung der symmetrie-erweiterten Region indem wir eine geringfügige Asymmetrie in die Kopplungsstärken einführen.Wir beobachten eine zunehmende Anisotropie in der Verteilung der gebrochenen Symmetrie, begleitet von einer ansteigenden Masse der Goldstone-Mode.Die Experimente wurden mit einer neuen Apparatur durchgeführt, die im Rahmen dieser Arbeit errichtet wurde.Der Aufbau ist auf eine schnelle und robuste Präparationssequenz des Quantengases ausgerichtet.Wir führen eine neue Transportmethode für ultrakalte Atome ein, die auf Linsen mit verstellbarer Brennweite basiert und bisherigen Methoden bezüglich Flexibilität, Stabilität, Kosten und Platzanforderungen überlegen ist.Ferner zeichnet sich das Vakuumsystem durch einen konzeptionell neuen Ansatz mit einem Transfersystem aus, das es erlaubt den Resonator-Aufbau ohne Weiteres auszutauschen.Unser Experiment schafft dadurch einen vielseitigen Quantensimulator für konstruierte Atom-Licht-Wechselwirkungen in verschiedenen Resonator-Umgebungen.