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Probing Ytterbium quantum gases in an optical lattice using the clock transition

Thomas Georg Ponath

Published Jul 30, 2018• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Im “Ytterbium Quantengas”-Experiment untersuchen wir stark korrelierte Quantenvielteilchenphysik mit einem System aus ultrakaltem Ytterbium in einem optischen Gitter durch Spektroskopie an einem extrem schmalen “Uhrenubergang” mit einem stabilen, schmalbandigen Laser. Ultrakalte Quantengase aus Erdalkali-ahnlichen (AEL) Atomen eignen sich hervorragend als Quantensimulator-Systeme zur Untersuchung stark korrelierter Vielteilchenphysik. Fermionische AELs, wie z.B. 173Yb, weisen viele gunstige Eigenschaften fur Experimente auf: einen schmalen Uhrenubergang, der prazise spektroskopische Messungen ermoglicht, einen tief liegenden, langlebigen metastabilen Zustand, eine Entkopplung von Kernspin und elektronischem Zustand und eine SU(N)-Symmetrie. Ultrakalte Quantengase von AEL-Atomen in einem optischen Gitter ermoglichen die experimentelle Realisierung komplexer Systeme wie das Kondo-Gitter-Modell oder die Untersuchung von Korrelationen in stark dissipativen Systemen. Ich stelle einen Aufbau einer volloptischen 2D/3D MOT mit optischer Dipolfalle vor. Wir erzeugen saubere, ultrakalte Ytterbium-Quantengase mit Kontrolle uber die Spin-Population. Wir konnen einige 104 Atome in das unterste Band eines tiefen dreidimensionalen optischen Gitters laden, das bei der magischen Wellenlange von 578 nm arbeitet. Ein Abbildungssystem mit einem Repumping-Laser ermoglicht die getrennte Detektion von grundzustands- und angeregten Atomen. Koharente Kontrolle uber den metastabilen elektronischen Zustand und eine hohe spektroskopische Auflosung erfordern ein hochstabiles, schmalbandiges Lasersystem, das im Zentrum dieser Arbeit steht. Ich prasentiere eine detaillierte Charakterisierung unseres uberarbeiteten 578 nm “Uhren”-Lasersystems, welches durch einen Pound-Drever-Hall (PDH) Lock auf einen Resonator mit hoher Finesse stabilisiert wird. Wesentliche Neuerungen sind der vollstandig aus ULE Glas bestehende Resonator, der einen Betrieb mit geringer Empfindlichkeit gegenuber Temperatur- und Strahlleistungsschwankungen ermoglicht, ein wellenleiterbasierter, fasergekoppelter EOM fur optimale Modulationstiefen des PDH-Lock, eine verbesserte Strahlleistungs-Stabilisierung im Lock-Aufbau und eine verbesserte phasenstabile Faserverbindung zum Experiment. In einer Stabilitatsanalyse mit einem unabhangig auf einen zweiten Resonator stabilisierten Strahl zeigt der Uhrenlaser eine kurzzeitige Linienbreite von 1 Hz uber 2 s. Das kombinierte System zeigt Ein-Stunden lange Zeitfenster mit annahernd linearem Drift und verbleibende Frequenzschwankungen von bis zu 50 Hz. Die Messungen der atomaren Resonanzfrequenz ergab einen langfristigen linearen Drift des Resonators von 318 ± 1 mHz/s. Dieses Lasersystem ist ein wichtiges Werkzeug fur die Praparation, Manipulation und Untersuchung von stark korrelierten Vielteilchensysteme aus ultrakaltem Ytterbium. In koharenten Uhrenspektroskopie an Spin-polarisiertem 173Yb erreichten wir eine hohe Auflosung von 50 ± 2 Hz FWHM (sinc²-Funktions-Fit) und uber 80% Anregung in dem metastabilen 3P0-Zustand. Wir prasentierten Ubergange in hohere Bandern des optischen Gitters. In Spektroskopie-Messungen an Zwei-Spin-Komponenten-Mischungen konnten wir ein Merkmal von Spin-Austausch-Wechselwirkungen zwischen interorbitalen Zwei-Teilchen-Zustanden auflosen. Der vorgestellte Aufbau und die entwickelten Techniken zur Praparation und koharenten Kontrolle von Ytterbium bieten einen idealen Ausgangspunkt fur die Erforschung neuer Quantensysteme. In the “Ytterbium quantum gas” experiment, we investigate strongly correlated quantum many-body physics with a system of ultracold Ytterbium in an optical lattice by performing spectroscopy on an ultra-narrow “clock” transition using a stable, narrow-linewidth laser. Ultracold quantum gases of alkaline-earth-like (AEL) elements are highly suitable as “quantum simulator” systems for the investigation of strongly-correlated many-body physics. Fermionic AELs, such as 173Yb, exhibit many favourable features for experiments: a narrow clock transition enabling precision spectroscopy measurements, a low-lying, long-lived metastable state, a decoupled nuclear spin- and electronic state and an SU(N) symmetry. Ultracold quantum gases of AEL atoms in an optical lattice enable experimental realizations of complex systems, such as the Kondo lattice model, or the study of correlations emerging in strongly dissipative systems. I show an experimental apparatus of an all-optical 2D/3D MOT setup with three-beam optical dipole trap. We prepare clean, ultracold Ytterbium quantum gases with control over the spin population. We can load several 104 atoms into the lowest band of a three-dimensional, deep optical lattice, operating at the magic-wavelength of 578 nm. An imaging system with a repumping laser enables the separate detection of ground- and excited state atoms. Coherent control over the metastable electronic state and high spectroscopic resolution require a highly stable, narrow-linewidth laser system, which is at the focus of this thesis. I present a detailed characterisation of our revised 578 nm “clock” laser system stabilised by Pound-Drever-Hall (PDH) lock to a high-finesse cavity. Key features are the all-ULE glass cavity enabling operation with low sensitivities to temperature- and beam power fluctuations, a waveguide-based, fibre-coupled EOM providing optimal modulation depths for the PDH lock, an improved beam power stabilisation in the lock setup and an improved phase-stable fibre link to the experiment. In a stability evaluation with a beam independently locked to a second cavity, the clock laser shows a short-time linewidth of 1 Hz over 2 s. The combined system shows 1-hour long windows of approximately linear drift with remaining frequency fluctuations up to 50 Hz. Monitoring the atomic resonance frequency, we obtained a long-term linear drift of 318 ± 1 mHz/s of the cavity. This laser system is a crucial tool for the preparation, manipulation and probing of strongly-correlated many-body systems of ultracold Ytterbium. In coherent clock spectroscopy measurements on single spin-component 173Yb, we achieved a high-resolution of 50 ± 2 Hz FWHM (sinc² curve fit) and over 80% excitation fraction to the metastable 3P0 state. We showed transitions to higher bands in the optical lattice. Performing spectroscopy on two spin-component mixtures, we resolved a feature of spin-exchange interactions between inter-orbital two-particle states. The presented apparatus and the developed techniques for preparation and coherent control of Ytterbium provide an ideal starting point for the study of novel quantum systems.

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Probing SU(N)-symmetric orbital interactions with ytterbium Fermi gases in optical lattices

Francesco Scazza

In dieser Arbeit wird die Erzeugung und Untersuchung wechselwirkender Ytterbium-Quantengase mit zwei elektronischen Orbitalen in optischen Gittern präsentiert. Entartete Fermigase aus Ytterbium oder anderen erdalkaliähnlichen Elementen wurden in jüngster Zeit als Modellsysteme für orbitale Phänomene in der Festkörperphysik herangezogen, wie z.B. die Kondoabschirmung, schwere Fermionen und kolossalen magnetischen Widerstand. Für diese Gase wurde des Weiteren eine hohen SU(N) Symmetrie vorhergesagt, die aus der starken Entkopplung des Kernspins resultiert, und die Erzeugung neuer exotischer Aggregatzustände ermöglicht. Das SU(N) Hubbard-Modell mit zwei Orbitalen sowie interorbitaler Spinaustauschwechselwirkung lässt sich mit Hilfe der beiden niedrigsten (meta-)stabilen elektronischen Zustände realisieren, welche dabei die Rolle der Elektronen aus unterschiedlichen Orbitalen eines Festkörpers einnehmen. Die Wechselwirkungen in einer entarteten Mischung verschiedener Spinzustände von Yb-173 mit zwei Orbitalen werden durch die Anregung in den metastabilen Zustand in einem zustandsunabhängigen Gitter untersucht. Alle Streukanäle für die zwei Orbitale werden charakterisiert und die SU(N=6)-Symmetrie wird innerhalb der experimentellen Unsicherheiten nachgewiesen. Von herausragender Bedeutung ist der Nachweis einer sehr starken Spinaustauschwechselwirkung zwischen den zwei Orbitalen, wobei der dazugehörige Austauschprozess anhand dynamischen Ausgleichs der Spinpolarizierung zwischen verschiedenen Orbitalen beobachtet wird. Ermöglicht wird dies durch die Implementierung präzisionsspektroskopischer Verfahren sowie die vollständige, kohärente Kontrolle der Besetzung des metasabilen Zustandes. Die Verwirklichung eines SU(N)-symmetrischen Gases mit Spinaustauschwechselwirkung, des grundlegenden Bausteins für orbitalen Quantenmagnetismus, ist ein entscheidender Schritt in Richtung der Simulation von wichtigen Vielteilchenmodellen, wie dem Kondo- Gittermodell.

•Jan 1, 2015•4 citations

A two-orbital quantum gas with tunable interactions

M. Höfer

Im letzten Jahrzehnt haben sich Quantengasexperimente als gut kontrollierbare Modellsysteme zur Untersuchung komplexer Fragestellungen aus diversen Bereichen der Physik etabliert. Ultrakalte Quantengase zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie einen direkten und experimentell einfach realisierbaren Zugang zu ihrerWechselwirkung bieten. Das gezielte Einstellen der Wechselwirkungsstärke und die Erforschung der daraus resultierenden Aggregatzustände erlaubt es ein tiefes Verständnis der kondensierten Materie zu gewinnen. Insbesondere erdalkaliähnliche Atome wie Ytterbium bieten die Möglichkeit Phänomene der Festkörperphysik zu untersuchen, die durch die Wechselwirkung von Elektronen in verschiedenen Orbitalen oder durch eine größere Rotationssymmetrie des Spins als in gewöhnlichen Spin-1/2 Systemen hervorgerufen werden. Diese Doktorarbeit präsentiert die experimentelle Charakterisierung der Wechselwirkung ultrakalter, fermionischer Ytterbium-Atome (173Yb) in verschiedenen elektronischen Orbitalen. Dabei wird nachgewiesen, dass sich die Wechselwirkungsstärke mit Hilfe eines externen Magnetfeldes, analog zu einer Feshbach-Resonanz bei Alkali-Atomen, einstellen lässt. Bei Ytterbium wird diese Resonanz durch eine starke Spinaustauschwechselwirkung zwischen den verschiedenen Orbitalen hervorgerufen. Der Nachweis der einstellbaren Wechselwirkung erfolgt über Thermalisierungsexperimente in einer harmonischen Falle und mit Hilfe von hochauflösender Spektroskopie in einem dreidimensionalen Gitter. Des Weiteren wird mit Hilfe der neu entdeckten Resonanz zum ersten Mal experimentell ein stark wechselwirkendes Fermigas in verschiedenen Orbitalen erzeugt und spektroskopisch untersucht. Die Möglichkeit, die interorbitale Wechselwirkung direkt zu manipulieren und somit stark wechselwirkende Quantengase zu erzeugen, ebnet den Weg für die Realisierung und Untersuchung neuartiger Aggregatzustände der kondensierten Materie.

•Jan 1, 2017•1 citation

Interorbital spin exchange in a state-dependent optical lattice

Luis Riegger

Diese Arbeit beschreibt die Realisierung eines zustandsabhängigen optischen Gitters für Ytterbium-Quantengase mit zwei elektronischen Orbitalen sowie die Beobachtung einer einstellbaren interorbitalen Spinaustauschkopplung zwischen mobilen und lokalisierten magnetischen Momenten.Ultrakalte Gase erdalkaliartiger Atome wie Ytterbium in derartigen optischen Gittern eignen sich als vielfältige Modellsysteme zur Simulation von Phänomenen und Aggregatzuständen aus der Festkörperphysik, welche durch einen orbitalen Freiheitsgrad bestimmt sind.Beispiele hierfür sind die Physik schwerer Fermionen, Kondo-Spinabschirmung sowie der kolossale magnetoresistive Effekt in Kondo-artigen Modellen.Fermionische Ytterbiumatome im elektronischen Grundzustand und im metastabilen, angeregten Uhrenzustand weisen eine unterschiedliche Beweglichkeit im optischen Gitter auf, analog zu Elektronen in verschiedenen Festkörperorbitalen. Eine starke Entkopplung des Kernspins vom elektronischen Drehimpuls führt zu einer SU(N )-Symmetrie der interorbitalen Wechselwirkungen und bedingt hiermit die Entstehung einer natürlichen Spinaustauschkopplung mittels zweier unabhängiger Streukanäle.Wir präsentieren die Umsetzung unseres orbitalen optischen Gittersystems, welche auf den unterschiedlichen Polarisierbarkeiten der Uhrenzustände beruht und allgemeingültig für alle erdalkaliartigen Atome ist.Das optische Gitter erhält die SU(N )-Symmetrie der Wechselwirkungen weitgehend und die starke Lokalisierung der elektronisch angeregten Atome beschränkt verlustreiche Kollisionsprozesse.Mit der kontrollierten Herstellung von Mischungen in verschiedenen Kernspins und Orbitalen, welche den Spinaustauschwechselwirkungen unterliegen, unternehmen wir einen ersten Schritt zur Realisierung des Kondo-Gittermodells mit ultrakalten Atomen.Mit Hilfe optischer Spektroskopie zwischen der beiden Uhrenzuständen charakterisieren wir die starken interorbitalen Wechselwirkungen in Gegenwart des Gitterpotentials.In Fall niedriger Gitterfüllfaktoren führt die Kombination der starken interorbitalen Wechselwirkungen und der Mobilität der Grundzustandsatome zu einer effektiven Spinaustauschkopplung, analog zu der im Kondo-Modell.Wir beobachten den Austauschprozess anhand der Magnetisierungsdynamik, welche durch ein anfängliches Spin-Ungleichgewicht zwischen den Orbitalen induziert wird.Weiterhin zeigen wir, dass die Austauschkopplung mittels der Gittertiefe resonant gesteuert werden kann.Der zu Grunde liegende Mechanismus basiert auf der Kopplung an gebundene Zustände des Spin-Singulett-Streukanals.

•Jan 1, 2019•0 citations

Erzeugung und Charakterisierung ultrakalter Rubidium- und Ytterbiumatome - Auf dem Weg zu einem gemischten Quantengas

Alexander Batär

Das Forschungsprojekt, in dessen Rahmen die Promotionsarbeit durchgefuhrt wurde, ist auf dem Themengebiet der ultrakalten atomaren Gase angesiedelt. Die speziellen Ziele in diesem Projekt sind Untersuchungen zur Mischbarkeit und Superfluiditat an gemischten Quantengasen aus paramagnetischen Rubidium(Rb)- und diamagnetischen Ytterbium(Yb)-Atomen, und insbesondere die kontrollierte (koharente) Erzeugung ultrakalter heteronuklearer Molekule, sowie die Erzeugung eines fermionischen Yb-Quantengases. Weiterfuhrende Untersuchungen zu dipolaren Quantengasen und Prazisionsmessungen erganzen die Vielfalt der moglichen Experimente an diesem System. Ein wichtiger Bestandteil meiner Promotionsarbeit war die Konzeption und der Aufbau einer neuartigen Apparatur, die es ermoglicht Gemische aus Quantengasen zu erzeugen. Die Tauglichkeit der Apparatur konnte mit der Erzeugung eines Rb-Bose-Einstein-Kondensates(BEC) und der Herstellung ultrakalter Yb-Ensembles demonstriert werden. Als weiterer Schwerpunkt wurden speziell die Eigenschaften des Yb beim Kuhlen und Fangen untersucht, um Erkenntnisse fur die weitere Vorgehensweise bei der Erzeugung eines gemischten Quantengases festzulegen. Hierbei wurden erstmals Sub-Doppler-Temperaturen in einer magneto-optischen Falle(MOT) mit fermionischem Yb beobachtet, sowie erstmals die Lebensdauer eines metastabilen Zustands gemessen. Die wesentlichsten Bestandteile der Apparatur sind eine speziell konstruierte Vakuumkammer, eine Reihe von Lasersystemen, komplexe optische Aufbauten, sowie ein komplexes System aus Elektromagneten. Damit ist es moglich, zwei Atomsorten unabhangig voneinander zu fangen und zu kuhlen. Hierzu wurden MOTs sowie eine Magnetfalle(MT) und eine bichromatische optische Dipolfalle(ODT) konzipiert, und bis auf die ODT auch im Experiment eingesetzt, womit die unabhangige Kontrolle und Manipulierbarkeit beider Spezies moglich ist. Die Rb-Atome wurden aus einer MOT mit >10^9 Atomen im F=2,m_F=2-Zustand mit einer Temperatur von einigen 100 mu K in die MT geladen, wo durch radiofrequenzinduzierte Verdampfungskuhlung bis zu Temperaturen von einigen 100 nK ein BEC mit bis zu 6 * 10^6 Atomen erzeugt wurde. Aus Lebensdauermessungen des magnetisch gespeicherten BECs konnte der Koeffizient fur Dreikorperverluste zu 1,3 * 10^{-29} cm^6/s bestimmt werden, was mit theoretischen Vorhersagen und anderen experimentellen Befunden ubereinstimmt. Da keine technischen Limitationen der Lebensdauer beobachtet wurden, erfullt die im Rahmen dieser Doktorarbeit konzipierte und erstellte Apparatur hinsichtlich der Erzeugung eines Rb-BECs alle erforderlichen Voraussetzungen. Im zweiten Abschnitt meiner Promotion wurden speziell die Eigenschaften von Yb untersucht. Es wurden alle sieben stabilen Yb-Isotope mit Atomzahlen von bis zu 2 * 10^7 in eine MOT auf dem 1S_0 -> 1P_1-Ubergang geladen. Hierbei wurden erstmals bei fermionischen Yb-Isotopen durch Polarisationsgradientenkuhlung in einer MOT Temperaturen weit unter dem Dopplerlimit von 672 mu K erreicht und die Abhangigkeit von experimentellen Parametern untersucht. Die minimal erreichten Temperaturen lagen bei 10 mu K und 80 mu K fur {173}Yb bzw. {171}Yb. Dieses fur den weiteren Fortgang des Experiments sehr wichtige Ergebnis ermoglicht fur die fermionischen Yb-Isotope im Gegensatz zu den Bosonen, bei denen keine Sub-Dopplerkuhlung moglich ist, ein vereinfachtes Kuhlverfahren. Um die Moglichkeiten und Limitationen des simultanen Einschlusses beider Spezies in dieser Apparatur zu untersuchen, wurde eine gemischte MOT aus Rb- und Yb-Atomen erzeugt. Die hierbei beobachteten verminderten Atomzahlen im Vergleich zu den einzelnen MOTs fuhren dazu, dass fur die Erzeugung eines gemischten Quantengases ein alternatives Ladeschema erforderlich ist, das nicht auf einer gemischten MOT basiert. Ein solches Ladeschema wurde aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit konzipiert und soll im weiteren Verlauf des Projekts umgesetzt werden. Ein moglicher Weg zu einem gemischten Quantengas fuhrt uber das zwischenzeitliche magnetische Speichern von Yb im metastabilen ^3P_2-Zustand, der im Gegensatz zum nicht magnetisch fangbaren diamagnetischen Grundzustand des Yb ein magnetisches Moment von mu = 3 \mu_B besitzt und damit in einer MT gespeichert werden kann. Uber einen naturlichen Zerfallskanal fallen die Yb-Atome aus dem MOT-Zyklus in den metastabilen ^3P_2-Zustand wodurch eine durch das MOT-Magnetfeld gebildete MT kontinuierlich geladen wird. Hierbei war es moglich bis zu 4 * 10^5 Atome zu fangen. Untersuchungen der Magnetfalle ergaben fur das bosonische ^{174}Yb Lebensdauern von bis zu 13,7 s und fur das fermionische ^{173}Yb Lebensdauern von bis zu 11 s, die in beiden Fallen atomzahlabhangig waren. Die langsten Lebensdauern sind dabei in guter Ubereinstimmung mit der bisher nur theoretisch berechneten naturlichen Lebensdauer von 14,5 s fur ^{174}Yb. Die beobachtete Abhangigkeit von der Atomzahl bei ^{174}Yb konnte auf dichteabhangige Verluste zuruckgefuhrt werden, wobei die Verlustrate zu (1,4 +/- 1,0) * 10^{-10}cm^3/s bestimmt wurde. Aufgrund der komplizierten Niveaustruktur von ^{173}Yb war eine Bestimmung hier nicht moglich. Die Bestimmung dieser Verlustkonstanten war essentiell fur den weiteren Fortgang des Experiments, da sie eine direkte Herbeifuhrung der Quantenentartung im metastabilen Zustand ausschliest, aber weiterhin die Moglichkeit zur zwischenzeitlichen Speicherung in diesem Zustand offen last. Die gemessenen Lebensdauern geben erstmalig experimentell ermittelte Grenzwerte fur die Lebensdauer des metastabilen Triplettzustands von Yb an.

•Jan 1, 2005•2 citations

Ultracold strontium in state-dependent optical lattices

A. Heinz

Innerhalb der letzten zwanzig Jahre haben sich ultrakalte Quantengase mit Alkalimetallatomen in optischen Gittern als effektives Werkzeug zur Simulation von Quantenvielteilchenmodellen erwiesen. Eine der wichtigsten technischen Errungenschaften in diesen Quantensimulationsexperimenten war die Entwicklung des Quantengasmikroskops, welches mit der Auflösung und Ansteuerung einzelner Atome in optischen Gittern einen wichtigen Schritt in Richtung absoluter Kontrolle aller internen und externen Freiheitsgrade einzelner neutraler Atome ermöglichte. Im Gegensatz zu Alkalimetallen haben Erdalkalimetallatome eine energetische Struktur, welche einen Reichtum an Wellenlängen für zustandsabhängige optische Fallen bietet. Ein Beispiel dafür sind “Tune-out Wellenlängen”, bei denen die Polarisierbarkeit und somit das Fallenpotential eines Zustands verschwindet. Diese Wellenlängen ermöglichen neuartige Quantensimulationen. Um Quantensimulationen mit zustandsabhängigen Fallen zu ermöglichen, bauen wir das erste Strontium Quantengasmikroskop der Welt. In dieser Arbeit zeigen wir dessen Design und Bauprozess von Grund auf und beschreiben technische Errungenschaften und Erweiterungen. Momentan sind wir in der Lage Temperaturen von ~1 μK mit ⁸⁸Sr und ⁸⁷Sr Atomen mittels Laserkühlung zu erreichen. Desweiteren, entwickelten wir eine neue Methode zur Messung von Tune-out Wellenlängen. Unsere Messung der Tune-out Wellenlänge des ¹S₀ Grundzustands ist unserem Wissen nach die genaueste bisher, wenn wir die geringe Sensitivität der Polarisierbarkeit mit der optischen Frequenz mit einbeziehen. Wir erreichen eine Unterdrückung des Grundzustandsgitters von fast fünf Größenordnungen gegenüber dem Gitter des angeregten Zustands. Mit spektroskopischen Messmethoden konnten wir die Polarisierbarkeit des ³P₀ Zustands extrahieren und aus unseren Messungen die ¹P₁ und ³S₁ Lebensdauern neu bestimmen. In einem weiteren Experiment demonstrierten wir ³P₀ Atome, gefangen in einem optischen Gitter bei der Tune-out Wellenlänge. Optische Gitterpotentiale unterliegen durch Laserleistung limitierten, harmonisch-geformten Potentialhüllen, welche die Systemgröße in Quantensimulationsexperimenten bestimmen. Diese “harmonische Einschränkung” beeinflusst sämtliche Tunnel- und Wechselwirkungsparameter im gesamten Gitter und führt zu anderen ungewollten, durch die Systemgröße bedingten, Effekten. Viele Quantensimulationsexperimente würden daher von größeren Systemen profitieren, weil entsprechende theoretische Modelle typischerweise unendlich große, flache Systeme voraussetzen. Um die optische Leistung zur Erzeugung von optischen Gittern zu erhöhen, entwickelten wir einen vakuumkompatiblen, monolithischen Überhöhungsresonator mit gekreuzten Resonatormoden mit 1/e^2 Strahlradien von ~400 μm, welche Systemgrößen von ~200×200 Gitterplätzen erwarten lassen. Wir berichten über dessen Design, Bauprozess, Charakterisierung und Implementierung. Der Resonator kann die optische Leistung bei sechs verschiedenen Wellenlängen, innerhalb des sichtbaren bis infraroten Bereich des Spektrums, bis zu einem Faktor ~1000 überhöhen und ermöglicht so tiefe und stabile Gitter bei Wellenlängen, bei denen keine hohen Laserleistungen verfügbar sind.

•Jan 1, 2020•4 citations

Bosonische und fermionische Quantengase in dreidimensionalen optischen Gittern

Tim Rom

In den letzten Jahren haben sich atomare Quantengase in optischen Gittern zu einem faszinierenden und interdisziplinär bedeutsamen Forschungsfeld entwickelt. Die in den periodischen Potentialen gefangenen ultrakalten Atome stellen ein ideales Modellsystem dar, anhand dessen sich grundlegende Fragestellungen der modernen Festkörper- und Vielteilchenphysik untersuchen lassen. In der vorliegenden Arbeit werden neue Methoden zur Manipulation und Analyse von Quantenzuständen in optischen Gittern demonstriert. Insbesondere wird mittels der sogenannten Rauschkorrelationsanalyse die Ordnung der Atome im Gitter bestimmt und erstmals fermionisches Antibunching an freien neutralen Atomen nachgewiesen. Grundlage für die vorgestellten Experimente ist eine im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Apparatur, mit der sich simultan entartete bosonische und fermionische Quantengase aus 87-Rubidium und 40-Kalium präparieren und in einem dreidimensionalen optischen Gitter untersuchen lassen. Die Apparatur zeichnet sich durch eine Serie technischer Innovationen aus: Eine neuartige Spulen- und Fallenkonfiguration eröffnet einen hervorragenden optischen Zugang zu den präparierten Ensemblen und ermöglicht es, starke homogene Magnetfelder bei einer geringen dissipierten Leistung zu erzeugen. Dies sind wichtige Voraussetzungen, um definierte Gitterpotentiale verwirklichen und die interatomaren Wechselwirkungen mittels Feshbach-Resonanzen beeinflussen zu können. Das optische Potential geht aus der Überlagerung einer gekreuzten Dipolfalle und eines blauverstimmten dreidimensionalen Gitters hervor. Eine solche Kombination erlaubt es, sehr tiefe und relativ homogene Gitterpotentiale zu erzeugen sowie den externen Einschluss unabhängig von der Gittertiefe zu variieren. Des Weiteren lassen sich über eine frei einstellbare Wellenlänge speziesabhängige Gitter realisieren. Die Vereinigung der hier aufgeführten Technologien liefert uns eine außergewöhnlich flexible Plattform für das Studium maßgeschneiderter Quantenzustände in periodischen Potentialen. Durch den unabhängigen externen Einschluss kann erstmals ein Fermigas allein über dessen Kompression zwischen einem metallischen und einem isolierenden Zustand hin- und hergeschaltet und – in ersten Ansätzen – die entsprechende Dynamik beobachtet werden. Die Ergebnisse werden mit numerischen Simulationen verglichen. Neben der Durchführung von Transportmessungen lässt sich hieraus ein neues Diagnoseverfahren ableiten, das es ermöglicht, Quantenphasen, wie den bosonischen oder fermionischen Mott-Isolator, anhand der charakteristischen Kompressibilität zu identifizieren. Als weiteres Diagnoseverfahren wird die Korrelationsanalyse von Flugzeitaufnahmen vorgestellt. Durch die Auswertung von Hanbury Brown und Twiss (HBT)-Korrelationen im Quantenrauschen der expandierenden Atomwolken lässt sich die mikroskopische Ordnung der Atome im Gitter nachweisen. Ausgangspunkt für die Messungen sind jeweils vollständig spinpolarisierte bosonische Mott-Isolatoren und fermionische Bandisolatoren. Trotz identischer Dichteverteilungen innerhalb des Gitters, weisen die Korrelationen von Bosonen und Fermionen entgegengesetzte Vorzeichen auf. Mit diesen Messungen gelingt es erstmals, fermionisches Antibunching an freien neutralen Atomen zu beobachten und innerhalb einer selben Apparatur mit dem bosonischen Bunching zu vergleichen. Neben dem Nachweis dieses fundamentalen Quanteneffektes lässt sich die Ordnung und die Temperatur der Fermionen im Gitter bis hinauf zur Fermi-Temperatur bestimmen. Damit erweist sich die Korrelationsanalyse als ein robustes Verfahren, mit dem sich in Zukunft noch weitaus komplexere Quantenphasen in optischen Gittern untersuchen lassen.

•Jan 1, 2009•4 citations
Im “Ytterbium Quantengas”-Experiment untersuchen wir stark korrelierte Quantenvielteilchenphysik mit einem System aus ultrakaltem Ytterbium in einem optischen Gitter durch Spektroskopie an einem extrem schmalen “Uhrenubergang” mit einem stabilen, schmalbandigen Laser.
Ultrakalte Quantengase aus Erdalkali-ahnlichen (AEL) Atomen eignen sich hervorragend als Quantensimulator-Systeme zur Untersuchung stark korrelierter Vielteilchenphysik. Fermionische AELs, wie z.B. 173Yb, weisen viele gunstige Eigenschaften fur Experimente auf: einen schmalen Uhrenubergang, der prazise spektroskopische Messungen ermoglicht, einen tief liegenden, langlebigen metastabilen Zustand, eine Entkopplung von Kernspin und elektronischem Zustand und eine SU(N)-Symmetrie. Ultrakalte Quantengase von AEL-Atomen in einem optischen Gitter ermoglichen die experimentelle Realisierung komplexer Systeme wie das Kondo-Gitter-Modell oder die Untersuchung von Korrelationen in stark dissipativen Systemen.
Ich stelle einen Aufbau einer volloptischen 2D/3D MOT mit optischer Dipolfalle vor. Wir erzeugen saubere, ultrakalte Ytterbium-Quantengase mit Kontrolle uber die Spin-Population. Wir konnen einige 104 Atome in das unterste Band eines tiefen dreidimensionalen optischen Gitters laden, das bei der magischen Wellenlange von 578 nm arbeitet. Ein Abbildungssystem mit einem Repumping-Laser ermoglicht die getrennte Detektion von grundzustands- und angeregten Atomen.
Koharente Kontrolle uber den metastabilen elektronischen Zustand und eine hohe spektroskopische Auflosung erfordern ein hochstabiles, schmalbandiges Lasersystem, das im Zentrum dieser Arbeit steht. Ich prasentiere eine detaillierte Charakterisierung unseres uberarbeiteten 578 nm “Uhren”-Lasersystems, welches durch einen Pound-Drever-Hall (PDH) Lock auf einen Resonator mit hoher Finesse stabilisiert wird. Wesentliche Neuerungen sind der vollstandig aus ULE Glas bestehende Resonator, der einen Betrieb mit geringer Empfindlichkeit gegenuber Temperatur- und Strahlleistungsschwankungen ermoglicht, ein wellenleiterbasierter, fasergekoppelter EOM fur optimale Modulationstiefen des PDH-Lock, eine verbesserte Strahlleistungs-Stabilisierung im Lock-Aufbau und eine verbesserte phasenstabile Faserverbindung zum Experiment. In einer Stabilitatsanalyse mit einem unabhangig auf einen zweiten Resonator stabilisierten Strahl zeigt der Uhrenlaser eine kurzzeitige Linienbreite von 1 Hz uber 2 s. Das kombinierte System zeigt Ein-Stunden lange Zeitfenster mit annahernd linearem Drift und verbleibende Frequenzschwankungen von bis zu 50 Hz. Die Messungen der atomaren Resonanzfrequenz ergab einen langfristigen linearen Drift des Resonators von 318 ± 1 mHz/s. Dieses Lasersystem ist ein wichtiges Werkzeug fur die Praparation, Manipulation und Untersuchung von stark korrelierten Vielteilchensysteme aus ultrakaltem Ytterbium.
In koharenten Uhrenspektroskopie an Spin-polarisiertem 173Yb erreichten wir eine hohe Auflosung von 50 ± 2 Hz FWHM (sinc²-Funktions-Fit) und uber 80% Anregung in dem metastabilen 3P0-Zustand. Wir prasentierten Ubergange in hohere Bandern des optischen Gitters. In Spektroskopie-Messungen an Zwei-Spin-Komponenten-Mischungen konnten wir ein Merkmal von Spin-Austausch-Wechselwirkungen zwischen interorbitalen Zwei-Teilchen-Zustanden auflosen.
Der vorgestellte Aufbau und die entwickelten Techniken zur Praparation und koharenten Kontrolle von Ytterbium bieten einen idealen Ausgangspunkt fur die Erforschung neuer Quantensysteme.
In the “Ytterbium quantum gas” experiment, we investigate strongly correlated quantum many-body physics with a system of ultracold Ytterbium in an optical lattice by performing spectroscopy on an ultra-narrow “clock” transition using a stable, narrow-linewidth laser.
Ultracold quantum gases of alkaline-earth-like (AEL) elements are highly suitable as “quantum simulator” systems for the investigation of strongly-correlated many-body physics. Fermionic AELs, such as 173Yb, exhibit many favourable features for experiments: a narrow clock transition enabling precision spectroscopy measurements, a low-lying, long-lived metastable state, a decoupled nuclear spin- and electronic state and an SU(N) symmetry. Ultracold quantum gases of AEL atoms in an optical lattice enable experimental realizations of complex systems, such as the Kondo lattice model, or the study of correlations emerging in strongly dissipative systems.
I show an experimental apparatus of an all-optical 2D/3D MOT setup with three-beam optical dipole trap. We prepare clean, ultracold Ytterbium quantum gases with control over the spin population. We can load several 104 atoms into the lowest band of a three-dimensional, deep optical lattice, operating at the magic-wavelength of 578 nm. An imaging system with a repumping laser enables the separate detection of ground- and excited state atoms.
Coherent control over the metastable electronic state and high spectroscopic resolution require a highly stable, narrow-linewidth laser system, which is at the focus of this thesis. I present a detailed characterisation of our revised 578 nm “clock” laser system stabilised by Pound-Drever-Hall (PDH) lock to a high-finesse cavity. Key features are the all-ULE glass cavity enabling operation with low sensitivities to temperature- and beam power fluctuations, a waveguide-based, fibre-coupled EOM providing optimal modulation depths for the PDH lock, an improved beam power stabilisation in the lock setup and an improved phase-stable fibre link to the experiment. In a stability evaluation with a beam independently locked to a second cavity, the clock laser shows a short-time linewidth of 1 Hz over 2 s. The combined system shows 1-hour long windows of approximately linear drift with remaining frequency fluctuations up to 50 Hz. Monitoring the atomic resonance frequency, we obtained a long-term linear drift of 318 ± 1 mHz/s of the cavity. This laser system is a crucial tool for the preparation, manipulation and probing of strongly-correlated many-body systems of ultracold Ytterbium.
In coherent clock spectroscopy measurements on single spin-component 173Yb, we achieved a high-resolution of 50 ± 2 Hz FWHM (sinc² curve fit) and over 80% excitation fraction to the metastable 3P0 state. We showed transitions to higher bands in the optical lattice. Performing spectroscopy on two spin-component mixtures, we resolved a feature of spin-exchange interactions between inter-orbital two-particle states.
The presented apparatus and the developed techniques for preparation and coherent control of Ytterbium provide an ideal starting point for the study of novel quantum systems.
In dieser Arbeit wird die Erzeugung und Untersuchung wechselwirkender Ytterbium-Quantengase mit zwei elektronischen Orbitalen in optischen Gittern präsentiert. Entartete Fermigase aus Ytterbium oder anderen erdalkaliähnlichen Elementen wurden in jüngster Zeit als Modellsysteme für orbitale Phänomene in der Festkörperphysik herangezogen, wie z.B. die Kondoabschirmung, schwere Fermionen und kolossalen magnetischen Widerstand. Für diese Gase wurde des Weiteren eine hohen SU(N) Symmetrie vorhergesagt, die aus der starken Entkopplung des Kernspins resultiert, und die Erzeugung neuer exotischer Aggregatzustände ermöglicht. Das SU(N) Hubbard-Modell mit zwei Orbitalen sowie interorbitaler Spinaustauschwechselwirkung lässt sich mit Hilfe der beiden niedrigsten (meta-)stabilen elektronischen Zustände realisieren, welche dabei die Rolle der Elektronen aus unterschiedlichen Orbitalen eines Festkörpers einnehmen. Die Wechselwirkungen in einer entarteten Mischung verschiedener Spinzustände von Yb-173 mit zwei Orbitalen werden durch die Anregung in den metastabilen Zustand in einem zustandsunabhängigen Gitter untersucht. Alle Streukanäle für die zwei Orbitale werden charakterisiert und die SU(N=6)-Symmetrie wird innerhalb der experimentellen Unsicherheiten nachgewiesen. Von herausragender Bedeutung ist der Nachweis einer sehr starken Spinaustauschwechselwirkung zwischen den zwei Orbitalen, wobei der dazugehörige Austauschprozess anhand dynamischen Ausgleichs der Spinpolarizierung zwischen verschiedenen Orbitalen beobachtet wird. Ermöglicht wird dies durch die Implementierung präzisionsspektroskopischer Verfahren sowie die vollständige, kohärente Kontrolle der Besetzung des metasabilen Zustandes. Die Verwirklichung eines SU(N)-symmetrischen Gases mit Spinaustauschwechselwirkung, des grundlegenden Bausteins für orbitalen Quantenmagnetismus, ist ein entscheidender Schritt in Richtung der Simulation von wichtigen Vielteilchenmodellen, wie dem Kondo- Gittermodell.
Im letzten Jahrzehnt haben sich Quantengasexperimente als gut kontrollierbare Modellsysteme zur Untersuchung komplexer Fragestellungen aus diversen Bereichen der Physik etabliert. Ultrakalte Quantengase zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie einen direkten und experimentell einfach realisierbaren Zugang zu ihrerWechselwirkung bieten. Das gezielte Einstellen der Wechselwirkungsstärke und die Erforschung der daraus resultierenden Aggregatzustände erlaubt es ein tiefes Verständnis der kondensierten Materie zu gewinnen. Insbesondere erdalkaliähnliche Atome wie Ytterbium bieten die Möglichkeit Phänomene der Festkörperphysik zu untersuchen, die durch die Wechselwirkung von Elektronen in verschiedenen Orbitalen oder durch eine größere Rotationssymmetrie des Spins als in gewöhnlichen Spin-1/2 Systemen hervorgerufen werden. Diese Doktorarbeit präsentiert die experimentelle Charakterisierung der Wechselwirkung ultrakalter, fermionischer Ytterbium-Atome (173Yb) in verschiedenen elektronischen Orbitalen. Dabei wird nachgewiesen, dass sich die Wechselwirkungsstärke mit Hilfe eines externen Magnetfeldes, analog zu einer Feshbach-Resonanz bei Alkali-Atomen, einstellen lässt. Bei Ytterbium wird diese Resonanz durch eine starke Spinaustauschwechselwirkung zwischen den verschiedenen Orbitalen hervorgerufen. Der Nachweis der einstellbaren Wechselwirkung erfolgt über Thermalisierungsexperimente in einer harmonischen Falle und mit Hilfe von hochauflösender Spektroskopie in einem dreidimensionalen Gitter. Des Weiteren wird mit Hilfe der neu entdeckten Resonanz zum ersten Mal experimentell ein stark wechselwirkendes Fermigas in verschiedenen Orbitalen erzeugt und spektroskopisch untersucht. Die Möglichkeit, die interorbitale Wechselwirkung direkt zu manipulieren und somit stark wechselwirkende Quantengase zu erzeugen, ebnet den Weg für die Realisierung und Untersuchung neuartiger Aggregatzustände der kondensierten Materie.
Diese Arbeit beschreibt die Realisierung eines zustandsabhängigen optischen Gitters für Ytterbium-Quantengase mit zwei elektronischen Orbitalen sowie die Beobachtung einer einstellbaren interorbitalen Spinaustauschkopplung zwischen mobilen und lokalisierten magnetischen Momenten.Ultrakalte Gase erdalkaliartiger Atome wie Ytterbium in derartigen optischen Gittern eignen sich als vielfältige Modellsysteme zur Simulation von Phänomenen und Aggregatzuständen aus der Festkörperphysik, welche durch einen orbitalen Freiheitsgrad bestimmt sind.Beispiele hierfür sind die Physik schwerer Fermionen, Kondo-Spinabschirmung sowie der kolossale magnetoresistive Effekt in Kondo-artigen Modellen.Fermionische Ytterbiumatome im elektronischen Grundzustand und im metastabilen, angeregten Uhrenzustand weisen eine unterschiedliche Beweglichkeit im optischen Gitter auf, analog zu Elektronen in verschiedenen Festkörperorbitalen. Eine starke Entkopplung des Kernspins vom elektronischen Drehimpuls führt zu einer SU(N )-Symmetrie der interorbitalen Wechselwirkungen und bedingt hiermit die Entstehung einer natürlichen Spinaustauschkopplung mittels zweier unabhängiger Streukanäle.Wir präsentieren die Umsetzung unseres orbitalen optischen Gittersystems, welche auf den unterschiedlichen Polarisierbarkeiten der Uhrenzustände beruht und allgemeingültig für alle erdalkaliartigen Atome ist.Das optische Gitter erhält die SU(N )-Symmetrie der Wechselwirkungen weitgehend und die starke Lokalisierung der elektronisch angeregten Atome beschränkt verlustreiche Kollisionsprozesse.Mit der kontrollierten Herstellung von Mischungen in verschiedenen Kernspins und Orbitalen, welche den Spinaustauschwechselwirkungen unterliegen, unternehmen wir einen ersten Schritt zur Realisierung des Kondo-Gittermodells mit ultrakalten Atomen.Mit Hilfe optischer Spektroskopie zwischen der beiden Uhrenzuständen charakterisieren wir die starken interorbitalen Wechselwirkungen in Gegenwart des Gitterpotentials.In Fall niedriger Gitterfüllfaktoren führt die Kombination der starken interorbitalen Wechselwirkungen und der Mobilität der Grundzustandsatome zu einer effektiven Spinaustauschkopplung, analog zu der im Kondo-Modell.Wir beobachten den Austauschprozess anhand der Magnetisierungsdynamik, welche durch ein anfängliches Spin-Ungleichgewicht zwischen den Orbitalen induziert wird.Weiterhin zeigen wir, dass die Austauschkopplung mittels der Gittertiefe resonant gesteuert werden kann.Der zu Grunde liegende Mechanismus basiert auf der Kopplung an gebundene Zustände des Spin-Singulett-Streukanals.
Das Forschungsprojekt, in dessen Rahmen die Promotionsarbeit durchgefuhrt wurde, ist auf dem Themengebiet der ultrakalten atomaren Gase angesiedelt. Die speziellen Ziele in diesem Projekt sind Untersuchungen zur Mischbarkeit und Superfluiditat an gemischten Quantengasen aus paramagnetischen Rubidium(Rb)- und diamagnetischen Ytterbium(Yb)-Atomen, und insbesondere die kontrollierte (koharente) Erzeugung ultrakalter heteronuklearer Molekule, sowie die Erzeugung eines fermionischen Yb-Quantengases. Weiterfuhrende Untersuchungen zu dipolaren Quantengasen und Prazisionsmessungen erganzen die Vielfalt der moglichen Experimente an diesem System. Ein wichtiger Bestandteil meiner Promotionsarbeit war die Konzeption und der Aufbau einer neuartigen Apparatur, die es ermoglicht Gemische aus Quantengasen zu erzeugen. Die Tauglichkeit der Apparatur konnte mit der Erzeugung eines Rb-Bose-Einstein-Kondensates(BEC) und der Herstellung ultrakalter Yb-Ensembles demonstriert werden. Als weiterer Schwerpunkt wurden speziell die Eigenschaften des Yb beim Kuhlen und Fangen untersucht, um Erkenntnisse fur die weitere Vorgehensweise bei der Erzeugung eines gemischten Quantengases festzulegen. Hierbei wurden erstmals Sub-Doppler-Temperaturen in einer magneto-optischen Falle(MOT) mit fermionischem Yb beobachtet, sowie erstmals die Lebensdauer eines metastabilen Zustands gemessen. Die wesentlichsten Bestandteile der Apparatur sind eine speziell konstruierte Vakuumkammer, eine Reihe von Lasersystemen, komplexe optische Aufbauten, sowie ein komplexes System aus Elektromagneten. Damit ist es moglich, zwei Atomsorten unabhangig voneinander zu fangen und zu kuhlen. Hierzu wurden MOTs sowie eine Magnetfalle(MT) und eine bichromatische optische Dipolfalle(ODT) konzipiert, und bis auf die ODT auch im Experiment eingesetzt, womit die unabhangige Kontrolle und Manipulierbarkeit beider Spezies moglich ist. Die Rb-Atome wurden aus einer MOT mit >10^9 Atomen im F=2,m_F=2-Zustand mit einer Temperatur von einigen 100 mu K in die MT geladen, wo durch radiofrequenzinduzierte Verdampfungskuhlung bis zu Temperaturen von einigen 100 nK ein BEC mit bis zu 6 * 10^6 Atomen erzeugt wurde. Aus Lebensdauermessungen des magnetisch gespeicherten BECs konnte der Koeffizient fur Dreikorperverluste zu 1,3 * 10^{-29} cm^6/s bestimmt werden, was mit theoretischen Vorhersagen und anderen experimentellen Befunden ubereinstimmt. Da keine technischen Limitationen der Lebensdauer beobachtet wurden, erfullt die im Rahmen dieser Doktorarbeit konzipierte und erstellte Apparatur hinsichtlich der Erzeugung eines Rb-BECs alle erforderlichen Voraussetzungen. Im zweiten Abschnitt meiner Promotion wurden speziell die Eigenschaften von Yb untersucht. Es wurden alle sieben stabilen Yb-Isotope mit Atomzahlen von bis zu 2 * 10^7 in eine MOT auf dem 1S_0 -> 1P_1-Ubergang geladen. Hierbei wurden erstmals bei fermionischen Yb-Isotopen durch Polarisationsgradientenkuhlung in einer MOT Temperaturen weit unter dem Dopplerlimit von 672 mu K erreicht und die Abhangigkeit von experimentellen Parametern untersucht. Die minimal erreichten Temperaturen lagen bei 10 mu K und 80 mu K fur {173}Yb bzw. {171}Yb. Dieses fur den weiteren Fortgang des Experiments sehr wichtige Ergebnis ermoglicht fur die fermionischen Yb-Isotope im Gegensatz zu den Bosonen, bei denen keine Sub-Dopplerkuhlung moglich ist, ein vereinfachtes Kuhlverfahren. Um die Moglichkeiten und Limitationen des simultanen Einschlusses beider Spezies in dieser Apparatur zu untersuchen, wurde eine gemischte MOT aus Rb- und Yb-Atomen erzeugt. Die hierbei beobachteten verminderten Atomzahlen im Vergleich zu den einzelnen MOTs fuhren dazu, dass fur die Erzeugung eines gemischten Quantengases ein alternatives Ladeschema erforderlich ist, das nicht auf einer gemischten MOT basiert. Ein solches Ladeschema wurde aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit konzipiert und soll im weiteren Verlauf des Projekts umgesetzt werden. Ein moglicher Weg zu einem gemischten Quantengas fuhrt uber das zwischenzeitliche magnetische Speichern von Yb im metastabilen ^3P_2-Zustand, der im Gegensatz zum nicht magnetisch fangbaren diamagnetischen Grundzustand des Yb ein magnetisches Moment von mu = 3 \mu_B besitzt und damit in einer MT gespeichert werden kann. Uber einen naturlichen Zerfallskanal fallen die Yb-Atome aus dem MOT-Zyklus in den metastabilen ^3P_2-Zustand wodurch eine durch das MOT-Magnetfeld gebildete MT kontinuierlich geladen wird. Hierbei war es moglich bis zu 4 * 10^5 Atome zu fangen. Untersuchungen der Magnetfalle ergaben fur das bosonische ^{174}Yb Lebensdauern von bis zu 13,7 s und fur das fermionische ^{173}Yb Lebensdauern von bis zu 11 s, die in beiden Fallen atomzahlabhangig waren. Die langsten Lebensdauern sind dabei in guter Ubereinstimmung mit der bisher nur theoretisch berechneten naturlichen Lebensdauer von 14,5 s fur ^{174}Yb. Die beobachtete Abhangigkeit von der Atomzahl bei ^{174}Yb konnte auf dichteabhangige Verluste zuruckgefuhrt werden, wobei die Verlustrate zu (1,4 +/- 1,0) * 10^{-10}cm^3/s bestimmt wurde. Aufgrund der komplizierten Niveaustruktur von ^{173}Yb war eine Bestimmung hier nicht moglich. Die Bestimmung dieser Verlustkonstanten war essentiell fur den weiteren Fortgang des Experiments, da sie eine direkte Herbeifuhrung der Quantenentartung im metastabilen Zustand ausschliest, aber weiterhin die Moglichkeit zur zwischenzeitlichen Speicherung in diesem Zustand offen last. Die gemessenen Lebensdauern geben erstmalig experimentell ermittelte Grenzwerte fur die Lebensdauer des metastabilen Triplettzustands von Yb an.
Innerhalb der letzten zwanzig Jahre haben sich ultrakalte Quantengase mit Alkalimetallatomen in optischen Gittern als effektives Werkzeug zur Simulation von Quantenvielteilchenmodellen erwiesen. Eine der wichtigsten technischen Errungenschaften in diesen Quantensimulationsexperimenten war die Entwicklung des Quantengasmikroskops, welches mit der Auflösung und Ansteuerung einzelner Atome in optischen Gittern einen wichtigen Schritt in Richtung absoluter Kontrolle aller internen und externen Freiheitsgrade einzelner neutraler Atome ermöglichte. Im Gegensatz zu Alkalimetallen haben Erdalkalimetallatome eine energetische Struktur, welche einen Reichtum an Wellenlängen für zustandsabhängige optische Fallen bietet. Ein Beispiel dafür sind “Tune-out Wellenlängen”, bei denen die Polarisierbarkeit und somit das Fallenpotential eines Zustands verschwindet. Diese Wellenlängen ermöglichen neuartige Quantensimulationen. Um Quantensimulationen mit zustandsabhängigen Fallen zu ermöglichen, bauen wir das erste Strontium Quantengasmikroskop der Welt. In dieser Arbeit zeigen wir dessen Design und Bauprozess von Grund auf und beschreiben technische Errungenschaften und Erweiterungen. Momentan sind wir in der Lage Temperaturen von ~1 μK mit ⁸⁸Sr und ⁸⁷Sr Atomen mittels Laserkühlung zu erreichen. Desweiteren, entwickelten wir eine neue Methode zur Messung von Tune-out Wellenlängen. Unsere Messung der Tune-out Wellenlänge des ¹S₀ Grundzustands ist unserem Wissen nach die genaueste bisher, wenn wir die geringe Sensitivität der Polarisierbarkeit mit der optischen Frequenz mit einbeziehen. Wir erreichen eine Unterdrückung des Grundzustandsgitters von fast fünf Größenordnungen gegenüber dem Gitter des angeregten Zustands. Mit spektroskopischen Messmethoden konnten wir die Polarisierbarkeit des ³P₀ Zustands extrahieren und aus unseren Messungen die ¹P₁ und ³S₁ Lebensdauern neu bestimmen. In einem weiteren Experiment demonstrierten wir ³P₀ Atome, gefangen in einem optischen Gitter bei der Tune-out Wellenlänge. Optische Gitterpotentiale unterliegen durch Laserleistung limitierten, harmonisch-geformten Potentialhüllen, welche die Systemgröße in Quantensimulationsexperimenten bestimmen. Diese “harmonische Einschränkung” beeinflusst sämtliche Tunnel- und Wechselwirkungsparameter im gesamten Gitter und führt zu anderen ungewollten, durch die Systemgröße bedingten, Effekten. Viele Quantensimulationsexperimente würden daher von größeren Systemen profitieren, weil entsprechende theoretische Modelle typischerweise unendlich große, flache Systeme voraussetzen. Um die optische Leistung zur Erzeugung von optischen Gittern zu erhöhen, entwickelten wir einen vakuumkompatiblen, monolithischen Überhöhungsresonator mit gekreuzten Resonatormoden mit 1/e^2 Strahlradien von ~400 μm, welche Systemgrößen von ~200×200 Gitterplätzen erwarten lassen. Wir berichten über dessen Design, Bauprozess, Charakterisierung und Implementierung. Der Resonator kann die optische Leistung bei sechs verschiedenen Wellenlängen, innerhalb des sichtbaren bis infraroten Bereich des Spektrums, bis zu einem Faktor ~1000 überhöhen und ermöglicht so tiefe und stabile Gitter bei Wellenlängen, bei denen keine hohen Laserleistungen verfügbar sind.
In den letzten Jahren haben sich atomare Quantengase in optischen Gittern zu einem faszinierenden und interdisziplinär bedeutsamen Forschungsfeld entwickelt. Die in den periodischen Potentialen gefangenen ultrakalten Atome stellen ein ideales Modellsystem dar, anhand dessen sich grundlegende Fragestellungen der modernen Festkörper- und Vielteilchenphysik untersuchen lassen. In der vorliegenden Arbeit werden neue Methoden zur Manipulation und Analyse von Quantenzuständen in optischen Gittern demonstriert. Insbesondere wird mittels der sogenannten Rauschkorrelationsanalyse die Ordnung der Atome im Gitter bestimmt und erstmals fermionisches Antibunching an freien neutralen Atomen nachgewiesen. Grundlage für die vorgestellten Experimente ist eine im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Apparatur, mit der sich simultan entartete bosonische und fermionische Quantengase aus 87-Rubidium und 40-Kalium präparieren und in einem dreidimensionalen optischen Gitter untersuchen lassen. Die Apparatur zeichnet sich durch eine Serie technischer Innovationen aus: Eine neuartige Spulen- und Fallenkonfiguration eröffnet einen hervorragenden optischen Zugang zu den präparierten Ensemblen und ermöglicht es, starke homogene Magnetfelder bei einer geringen dissipierten Leistung zu erzeugen. Dies sind wichtige Voraussetzungen, um definierte Gitterpotentiale verwirklichen und die interatomaren Wechselwirkungen mittels Feshbach-Resonanzen beeinflussen zu können. Das optische Potential geht aus der Überlagerung einer gekreuzten Dipolfalle und eines blauverstimmten dreidimensionalen Gitters hervor. Eine solche Kombination erlaubt es, sehr tiefe und relativ homogene Gitterpotentiale zu erzeugen sowie den externen Einschluss unabhängig von der Gittertiefe zu variieren. Des Weiteren lassen sich über eine frei einstellbare Wellenlänge speziesabhängige Gitter realisieren. Die Vereinigung der hier aufgeführten Technologien liefert uns eine außergewöhnlich flexible Plattform für das Studium maßgeschneiderter Quantenzustände in periodischen Potentialen. Durch den unabhängigen externen Einschluss kann erstmals ein Fermigas allein über dessen Kompression zwischen einem metallischen und einem isolierenden Zustand hin- und hergeschaltet und – in ersten Ansätzen – die entsprechende Dynamik beobachtet werden. Die Ergebnisse werden mit numerischen Simulationen verglichen. Neben der Durchführung von Transportmessungen lässt sich hieraus ein neues Diagnoseverfahren ableiten, das es ermöglicht, Quantenphasen, wie den bosonischen oder fermionischen Mott-Isolator, anhand der charakteristischen Kompressibilität zu identifizieren. Als weiteres Diagnoseverfahren wird die Korrelationsanalyse von Flugzeitaufnahmen vorgestellt. Durch die Auswertung von Hanbury Brown und Twiss (HBT)-Korrelationen im Quantenrauschen der expandierenden Atomwolken lässt sich die mikroskopische Ordnung der Atome im Gitter nachweisen. Ausgangspunkt für die Messungen sind jeweils vollständig spinpolarisierte bosonische Mott-Isolatoren und fermionische Bandisolatoren. Trotz identischer Dichteverteilungen innerhalb des Gitters, weisen die Korrelationen von Bosonen und Fermionen entgegengesetzte Vorzeichen auf. Mit diesen Messungen gelingt es erstmals, fermionisches Antibunching an freien neutralen Atomen zu beobachten und innerhalb einer selben Apparatur mit dem bosonischen Bunching zu vergleichen. Neben dem Nachweis dieses fundamentalen Quanteneffektes lässt sich die Ordnung und die Temperatur der Fermionen im Gitter bis hinauf zur Fermi-Temperatur bestimmen. Damit erweist sich die Korrelationsanalyse als ein robustes Verfahren, mit dem sich in Zukunft noch weitaus komplexere Quantenphasen in optischen Gittern untersuchen lassen.