(English) Ultracold atoms have proven to be a valuable asset to study and understand complex quantum many-body systems in a well-controlled setting. In particular, quantum-gas microscopes provide unprecedented access to local observables and allow one to investigate those systems at the level of each individual particle, giving new insights on their behaviour. While so far most of these microscopes used alkali atoms, the distinct properties of alkaline-earth atoms, in particular strontium, combined with quantum-gas microscopy are expected to shed new light on a broad variety of many-body problems. This thesis describes the realization of single-site-resolved imaging for both bosonic and fermionic strontium atoms in a Hubbard-regime optical lattice, which unlocks the possibility to study novel types of Bose- and SU(N) Fermi-Hubbard systems. An essential step in ultracold-atom experiments is the preparation of a quantum degenerate cloud. In the first part of this thesis, we discuss the methods we have implemented in our apparatus to achieve this goal. We developed a new resonant-shielding method to double the atom number during the first cooling stage in a broad-linewidth blue magneto-optical trap. During the second cooling stage in a narrow-linewidth red magneto-optical trap, the hyperfine structure of the fermionic atoms adds additional challenges which are addressed by mixing the hyperfine states with an additional laser for efficient trapping and cooling. After the laser-cooling stages, we perform evaporative cooling in a far red-detuned optical potential before loading the atoms into a two-dimensional optical lattice. The lattice laser operates at the clock-magic wavelength of strontium (813.4nm) which will enable high-precision measurements in future experiments. To image the individual atoms in the optical lattice, we place a high-NA objective in close vicinity to the atoms. We demonstrate single-atom resolution for bosonic and fermionic strontium and successfully reconstruct the lattice occupation for both of them, reaching fidelities as high as 96%. For the bosonic Sr-84 atoms, we induce fluorescence on the blue broad-linewidth transition and simultaneously perform attractive Sisyphus cooling on the red narrow-linewidth transition. Moreover, combining this imaging method with momentum-space detection, we observe the matter-wave interference arising from the phase coherence of the Bose-Hubbard superfluid. For the fermionic Sr-87 atoms, we image with the red transition only, which allows us to obtain for the first time for a fermionic alkaline-earth atom both single-atom resolution and spin-resolved detection. This thesis has combined, for the first time, quantum-gas microscopy with ultracold strontium and its distinct spectral properties. This platform should enable a broad range of future studies. For the bosons, it unlocks investigation of the single-atom-resolved dissipative Bose-Hubbard systems and the exploration of collective atom-photon scattering in ordered atomic arrays. For the fermions, the spin-dependent single-atom detection provides the ideal setting for investigations of antiferromagnetic correlations in SU(N≤10) Fermi-Hubbard systems and the realization of exotic magnetic phases. (Català) Els àtoms ultrafreds han demostrat ser un recurs valuós per l’estudi i la comprensió de sistemes quàntics de molts cossos en un entorn controlat. En particular, els microscopis de gasos quàntics proporcionen un accés sense precedents a observables locals i permeten investigar aquests sistemes a nivell de cada partícula individual, oferint noves perspectives sobre el seu comportament. Malgrat que fins ara la majoria d’aquests microscopis han utilitzat àtoms alcalins, s’espera que les propietats distintives dels àtoms alcalinoterris, en particular l’estronci, combinades amb la microscòpia de gasos quàntics, aportin nova llum a una àmplia varietat de problemes de molts cossos. Aquesta tesi descriu la realització d’imatges amb resolució d’un sol punt de xarxa per a àtoms d’estronci bosònics i fermiònics en una xarxa òptica al règim de Hubbard. Aquest resultat desbloqueja la possibilitat d’estudiar nous tipus de sistemes de Bose-Hubbard i Fermi-Hubbard SU(N). Un pas essencial en els experiments d’àtoms ultrafreds és la preparació d’un núvol quàntic degenerat. A la primera part d’aquesta tesi, discutim els mètodes implementats al nostre aparell per aconseguir aquest objectiu. Hem desenvolupat un nou mètode de protecció en ressonància que duplica el nombre d’àtoms a la primera etapa de refredament, la trampa magneto-òptica blava de transició ampla. Durant la segona etapa de refredament en una trampa magneto-òptica vermella de línia estreta, l’estructura hiperfina dels àtoms fermiònics presenta nous reptes, que abordem barrejant els estats hiperfins amb un làser addicional per atrapar i refredar els àtoms eficientment. Després de les etapes de refredament làser, realitzem refredament per evaporació en una trampa dipolar abans de carregar els àtoms en una xarxa òptica bidimensional. El làser de la xarxa opera a la longitud d’ona màgica per a la transició rellotge de l’estronci (813.4nm), que permetrà mesures d’alta precisió en experiments futurs. Per prendre imatges dels àtoms individuals a la xarxa òptica, col·loquem un objectiu de microscopi d’alta obertura numèrica a poca distància dels àtoms. Hem demostrat la detecció d’àtoms individuals per a estronci bosònic i fermiònic, i hem reconstruït l’ocupació a la xarxa per a ambdós, assolint fidelitats de fins a un 96%. Per a l’isòtop bosònic de 84-Sr, hem induït fluorescència en la transició ampla blava i simultàniament hem realitzat refredament atractiu de Sísif en la transició estreta vermella. A més, mitjançant la combinació d’aquest mètode i la detecció en l’espai de moments, hem aconseguit observar la interferència de l’ona de matèria que sorgeix de la coherència de fase del superfluid Bose-Hubbard. Per als àtoms fermiònics de 87-Sr, només hem utilitzat la transició vermella per a la fluorescència, cosa que ens permet obtenir per primera vegada tant la resolució d’àtoms individuals com la detecció de l’estat d’espín en àtoms alcalinoterris. Aquesta tesi ha combinat, per primera vegada, la microscòpia de gasos quàntics amb l’estronci ultrafred i les seves propietats espectrals distintives. Aquesta plataforma habilita una àmplia varietat d’estudis en el futur. Per als bosons, desbloqueja la investigació de sistemes Bose-Hubbard dissipatius amb detecció d’àtoms individuals, així com l’exploració de la interacció col·lectiva d’àtoms i fotons en matrius ordenades d’àtoms. Per als fermions, la detecció individual d’àtoms i el seu estat d’espín proporciona l’entorn ideal per investigar les correlacions antiferromagnètiques en sistemes SU(N≤10) de Fermi-Hubbard i la realització de fases magnètiques exòtiques. (Español) Los átomos ultrafríos han demostrado ser un recurso valioso para el estudio y la comprensión de sistemas cuánticos de muchos cuerpos en un entorno controlado. En particular, los microscopios de gases cuánticos proporcionan un acceso sin precedentes a observables locales y permiten investigar esos sistemas a nivel de cada partícula individual, ofreciendo nuevas perspectivas sobre su comportamiento. Aunque hasta ahora la mayoría de estos microscopios han utilizado átomos alcalinos, se espera que las propiedades distintivas de los átomos alcalinotérreos, en particular el estroncio, combinadas con la microscopía de gases cuánticos, arrojen nueva luz sobre una amplia variedad de problemas de muchos cuerpos. Esta tesis describe la realización de imágenes con resolución de átomo único de la red para estroncio bosónico y fermiónico en una red óptica en régimen de Hubbard. Este resultado abre la posibilidad de estudiar nuevos tipos de sistemas de Bose-Hubbard y Fermi-Hubbard SU(N). Un paso esencial en los experimentos de átomos ultrafríos es el de preparar una nube cuántica degenerada. En la primera parte de esta tesis, discutimos los métodos implementados en nuestro aparato para lograr este objetivo. Hemos desarrollado un nuevo método de protección sobre una transición en que duplica el número de átomos en la primera etapa de enfriamiento, la trampa magneto-óptica azul sobre la transición ancha. Durante la segunda etapa de enfriamiento en una trampa magneto-óptica roja sobre la línea estrecha, la estructura hiperfina de los átomos fermiónicos presenta nuevos desafíos, que abordamos mezclando los estados hiperfinos con un láser adicional para lograr un atrapamiento y enfriamiento eficiente. Después de las etapas de enfriamiento láser, realizamos enfriamiento por evaporación en una trampa dipolar antes de cargar los átomos en una red óptica bidimensional. El láser de la red opera a la longitud de onda mágica para la transición reloj del estroncio (813.4nm), lo que permitirá mediciones de alta precisión en futures experimentos. Para tomar imágenes de los átomos individuales en la red óptica, colocamos un objetivo de microscopio de alta apertura numérica a poca distancia de los átomos. Demostramos la detección de átomos individuales para estroncio bosónico y fermiónico, y reconstruimos la ocupación en la red para ambos, alcanzando fidelidades de hasta un 96%. Para el isótopo bosónico de Sr-84, inducimos fluorescencia en la transición ancha azul y simultáneamente realizamos enfriamiento atractivo de Sísifo en la transición estrecha roja. Además, mediante la combinación este método y la detección en el espacio de momentos, conseguimos observar la interferencia de la onda de materia que surge de la coherencia de fase del superfluido de Bose-Hubbard. Para los átomos fermiónicos de Sr-87, utilizamos solo la transición roja para la fluorescencia, lo que nos permite obtener por primera vez tanto resolución de átomos individuales como detección del estado de espín en átomos a
(English) Ultracold atoms have proven to be a valuable asset to study and understand complex quantum many-body systems in a well-controlled setting. In particular, quantum-gas microscopes provide unprecedented access to local observables and allow one to investigate those systems at the level of each individual particle, giving new insights on their behaviour. While so far most of these microscopes used alkali atoms, the distinct properties of alkaline-earth atoms, in particular strontium, combined with quantum-gas microscopy are expected to shed new light on a broad variety of many-body problems. This thesis describes the realization of single-site-resolved imaging for both bosonic and fermionic strontium atoms in a Hubbard-regime optical lattice, which unlocks the possibility to study novel types of Bose- and SU(N) Fermi-Hubbard systems. An essential step in ultracold-atom experiments is the preparation of a quantum degenerate cloud. In the first part of this thesis, we discuss the methods we have implemented in our apparatus to achieve this goal. We developed a new resonant-shielding method to double the atom number during the first cooling stage in a broad-linewidth blue magneto-optical trap. During the second cooling stage in a narrow-linewidth red magneto-optical trap, the hyperfine structure of the fermionic atoms adds additional challenges which are addressed by mixing the hyperfine states with an additional laser for efficient trapping and cooling. After the laser-cooling stages, we perform evaporative cooling in a far red-detuned optical potential before loading the atoms into a two-dimensional optical lattice. The lattice laser operates at the clock-magic wavelength of strontium (813.4nm) which will enable high-precision measurements in future experiments. To image the individual atoms in the optical lattice, we place a high-NA objective in close vicinity to the atoms. We demonstrate single-atom resolution for bosonic and fermionic strontium and successfully reconstruct the lattice occupation for both of them, reaching fidelities as high as 96%. For the bosonic Sr-84 atoms, we induce fluorescence on the blue broad-linewidth transition and simultaneously perform attractive Sisyphus cooling on the red narrow-linewidth transition. Moreover, combining this imaging method with momentum-space detection, we observe the matter-wave interference arising from the phase coherence of the Bose-Hubbard superfluid. For the fermionic Sr-87 atoms, we image with the red transition only, which allows us to obtain for the first time for a fermionic alkaline-earth atom both single-atom resolution and spin-resolved detection. This thesis has combined, for the first time, quantum-gas microscopy with ultracold strontium and its distinct spectral properties. This platform should enable a broad range of future studies. For the bosons, it unlocks investigation of the single-atom-resolved dissipative Bose-Hubbard systems and the exploration of collective atom-photon scattering in ordered atomic arrays. For the fermions, the spin-dependent single-atom detection provides the ideal setting for investigations of antiferromagnetic correlations in SU(N≤10) Fermi-Hubbard systems and the realization of exotic magnetic phases. (Català) Els àtoms ultrafreds han demostrat ser un recurs valuós per l’estudi i la comprensió de sistemes quàntics de molts cossos en un entorn controlat. En particular, els microscopis de gasos quàntics proporcionen un accés sense precedents a observables locals i permeten investigar aquests sistemes a nivell de cada partícula individual, oferint noves perspectives sobre el seu comportament. Malgrat que fins ara la majoria d’aquests microscopis han utilitzat àtoms alcalins, s’espera que les propietats distintives dels àtoms alcalinoterris, en particular l’estronci, combinades amb la microscòpia de gasos quàntics, aportin nova llum a una àmplia varietat de problemes de molts cossos. Aquesta tesi descriu la realització d’imatges amb resolució d’un sol punt de xarxa per a àtoms d’estronci bosònics i fermiònics en una xarxa òptica al règim de Hubbard. Aquest resultat desbloqueja la possibilitat d’estudiar nous tipus de sistemes de Bose-Hubbard i Fermi-Hubbard SU(N). Un pas essencial en els experiments d’àtoms ultrafreds és la preparació d’un núvol quàntic degenerat. A la primera part d’aquesta tesi, discutim els mètodes implementats al nostre aparell per aconseguir aquest objectiu. Hem desenvolupat un nou mètode de protecció en ressonància que duplica el nombre d’àtoms a la primera etapa de refredament, la trampa magneto-òptica blava de transició ampla. Durant la segona etapa de refredament en una trampa magneto-òptica vermella de línia estreta, l’estructura hiperfina dels àtoms fermiònics presenta nous reptes, que abordem barrejant els estats hiperfins amb un làser addicional per atrapar i refredar els àtoms eficientment. Després de les etapes de refredament làser, realitzem refredament per evaporació en una trampa dipolar abans de carregar els àtoms en una xarxa òptica bidimensional. El làser de la xarxa opera a la longitud d’ona màgica per a la transició rellotge de l’estronci (813.4nm), que permetrà mesures d’alta precisió en experiments futurs. Per prendre imatges dels àtoms individuals a la xarxa òptica, col·loquem un objectiu de microscopi d’alta obertura numèrica a poca distància dels àtoms. Hem demostrat la detecció d’àtoms individuals per a estronci bosònic i fermiònic, i hem reconstruït l’ocupació a la xarxa per a ambdós, assolint fidelitats de fins a un 96%. Per a l’isòtop bosònic de 84-Sr, hem induït fluorescència en la transició ampla blava i simultàniament hem realitzat refredament atractiu de Sísif en la transició estreta vermella. A més, mitjançant la combinació d’aquest mètode i la detecció en l’espai de moments, hem aconseguit observar la interferència de l’ona de matèria que sorgeix de la coherència de fase del superfluid Bose-Hubbard. Per als àtoms fermiònics de 87-Sr, només hem utilitzat la transició vermella per a la fluorescència, cosa que ens permet obtenir per primera vegada tant la resolució d’àtoms individuals com la detecció de l’estat d’espín en àtoms alcalinoterris. Aquesta tesi ha combinat, per primera vegada, la microscòpia de gasos quàntics amb l’estronci ultrafred i les seves propietats espectrals distintives. Aquesta plataforma habilita una àmplia varietat d’estudis en el futur. Per als bosons, desbloqueja la investigació de sistemes Bose-Hubbard dissipatius amb detecció d’àtoms individuals, així com l’exploració de la interacció col·lectiva d’àtoms i fotons en matrius ordenades d’àtoms. Per als fermions, la detecció individual d’àtoms i el seu estat d’espín proporciona l’entorn ideal per investigar les correlacions antiferromagnètiques en sistemes SU(N≤10) de Fermi-Hubbard i la realització de fases magnètiques exòtiques. (Español) Los átomos ultrafríos han demostrado ser un recurso valioso para el estudio y la comprensión de sistemas cuánticos de muchos cuerpos en un entorno controlado. En particular, los microscopios de gases cuánticos proporcionan un acceso sin precedentes a observables locales y permiten investigar esos sistemas a nivel de cada partícula individual, ofreciendo nuevas perspectivas sobre su comportamiento. Aunque hasta ahora la mayoría de estos microscopios han utilizado átomos alcalinos, se espera que las propiedades distintivas de los átomos alcalinotérreos, en particular el estroncio, combinadas con la microscopía de gases cuánticos, arrojen nueva luz sobre una amplia variedad de problemas de muchos cuerpos. Esta tesis describe la realización de imágenes con resolución de átomo único de la red para estroncio bosónico y fermiónico en una red óptica en régimen de Hubbard. Este resultado abre la posibilidad de estudiar nuevos tipos de sistemas de Bose-Hubbard y Fermi-Hubbard SU(N). Un paso esencial en los experimentos de átomos ultrafríos es el de preparar una nube cuántica degenerada. En la primera parte de esta tesis, discutimos los métodos implementados en nuestro aparato para lograr este objetivo. Hemos desarrollado un nuevo método de protección sobre una transición en que duplica el número de átomos en la primera etapa de enfriamiento, la trampa magneto-óptica azul sobre la transición ancha. Durante la segunda etapa de enfriamiento en una trampa magneto-óptica roja sobre la línea estrecha, la estructura hiperfina de los átomos fermiónicos presenta nuevos desafíos, que abordamos mezclando los estados hiperfinos con un láser adicional para lograr un atrapamiento y enfriamiento eficiente. Después de las etapas de enfriamiento láser, realizamos enfriamiento por evaporación en una trampa dipolar antes de cargar los átomos en una red óptica bidimensional. El láser de la red opera a la longitud de onda mágica para la transición reloj del estroncio (813.4nm), lo que permitirá mediciones de alta precisión en futures experimentos. Para tomar imágenes de los átomos individuales en la red óptica, colocamos un objetivo de microscopio de alta apertura numérica a poca distancia de los átomos. Demostramos la detección de átomos individuales para estroncio bosónico y fermiónico, y reconstruimos la ocupación en la red para ambos, alcanzando fidelidades de hasta un 96%. Para el isótopo bosónico de Sr-84, inducimos fluorescencia en la transición ancha azul y simultáneamente realizamos enfriamiento atractivo de Sísifo en la transición estrecha roja. Además, mediante la combinación este método y la detección en el espacio de momentos, conseguimos observar la interferencia de la onda de materia que surge de la coherencia de fase del superfluido de Bose-Hubbard. Para los átomos fermiónicos de Sr-87, utilizamos solo la transición roja para la fluorescencia, lo que nos permite obtener por primera vez tanto resolución de átomos individuales como detección del estado de espín en átomos a
(English) The development of quantum-gas microscopes has revolutionized the field of quantum simulation with ultracold atoms. More specifically, their ability of direct observation and manipulation of degenerate quantum gases in optical lattices on a single particle level has brought novel ways of probing and engineering quantum degenerate many-body systems. So far, most of these setups have focused on alkali atoms. Combining quantum-gas microscopy with the properties of alkaline-earth atoms such as strontium gives rise to exciting research directions. In this thesis, we report on the design and construction of a strontium quantum-gas microscope. The findings in this thesis can be divided into three parts. In the first part, we focus on the accumulation of atoms in the science cell and develop a scheme to enhance the atom number in magneto-optical traps of strontium atoms operating on the 461-nm transition. This scheme resonantly populates a short-lived reservoir state, partially shielding the atomic cloud from losses in the cooling cycle. We demonstrate a factor of 2 enhancement in the atom number for the bosonic isotopes Sr-88 and Sr-84, and the fermionic isotope Sr-87, showing the efficient capture of these isotopes in our experiment. Our scheme can be readily implemented in the majority of strontium experiments, given that the shielding transition at 689 nm is commonly used for further cooling. In our case, the shielding scheme facilitates the generation of Bose-Einstein condensates. The second part of the thesis reports on the generation of degenerate quantum gases of Sr-84 with up to 200000 atoms. After summarizing the required cooling steps, we study the formation of Bose-Einstein condensates during evaporative cooling in our experiment. Analyzing the evolution of the horizontal and vertical size of our quantum-degenerate clouds in free fall leads to the characteristic asymmetric expansion, which we compare to theory for our experimental parameters. We also show the generation of smaller Bose-Einstein condensates of less than 20000 atoms with the help of a light-sheet potential. With this highly-anisotropic confinement we can consider our Bose-Einstein condensates two-dimensional for atom numbers of the order of 1000. In the third part we demonstrate site-resolved imaging of a Sr-84 bosonic quantum gas in a Hubbard-regime optical lattice potential. We confine the quantum gas by a two-dimensional optical lattice and the aforementioned light-sheet potential, both operating at strontium's clock-magic wavelength. A high-NA imaging objective enables single-atom and single-site resolved fluorescence imaging by scattering photons on strontium's broad 461-nm transition, while performing efficient attractive Sisyphus cooling of the atoms on a narrower transition at 689 nm. We reconstruct the atomic occupation of the lattice sites from the fluorescence images, obtaining imaging fidelities above 94%. Finally, we realize a Sr-84 superfluid in the Bose-Hubbard regime and observe its characteristic interference pattern after free expansion in the light sheet with single-atom resolution. Our strontium quantum-gas microscope provides a new platform to study dissipative Hubbard models and cooperative effects in atom-light interaction at the microscopic level. Moreover, the ability to capture also the fermionic isotope Sr-87 paves the way to generate degenerate Fermi gases with SU(N) symmetry and study SU(N) quantum magnetism. (Català) El desenvolupament dels microscopis de gasos quàntics ha revolucionat el camp de la simulació quàntica amb àtoms ultrafreds. Més concretament, la capacitat d'observar i manipular gasos quàntics degenerats en xarxes òptiques a nivell d'una sola partícula ha aportat noves maneres d'explorar i dissenyar sistemes quàntics de molts cossos. Fins ara, la majoria d'aquests sistemes s'han centrat en els àtoms alcalins. La combinació de la microscòpia de gasos quàntics amb les propietats dels àtoms alcalinoterris, com l'estronci, dona lloc a interessants línies de recerca. En aquesta tesi, informem sobre el disseny i construcció d'un microscopi de gasos quàntics d'estronci. Els resultats d'aquesta tesi es poden dividir en tres parts. A la primera part, ens centrem en l'acumulació d'àtoms a la cel·la científica i desenvolupem una estratègia per augmentar el nombre d'àtoms en trampes magneto-òptiques d'àtoms d'estronci que operen en la transició de 461 nm. Aquesta estratègia pobla ressonantment un estat reservori de curta vida, blindant parcialment el núvol atòmic de les pèrdues al cicle de refredament. Demostrem un augment en un factor 2 en el nombre d'àtoms per als isòtops bosònics Sr-88 i Sr-84, i l'isòtop fermiònic Sr-87, mostrant la captura eficient d'aquests isòtops al nostre experiment. La nostra tècnic es pot implementar fàcilment a la majoria dels experiments amb estronci, atès que la transició de blindatge s'utilitza habitualment per al refredament posterior. En el nostre cas, l'estratègia de blindatge facilita la generació de condensats de Bose-Einstein. La segona part de la tesi presenta la generació de gasos quàntics degenerats de fins a 200000 àtoms. Després de resumir els passos de refredament necessaris, estudiem la formació de condensats de Bose-Einstein durant el refredament evaporatiu al nostre experiment. L'anàlisi de l'evolució de la mida horitzontal i vertical dels nostres núvols quàntics en caiguda lliure condueix a la característica expansió asimètrica que comparem amb la teoria per als nostres paràmetres experimentals. També mostrem la generació de condensats de Bose-Einstein més petits de menys de 20000 àtoms amb l'ajuda d'un potencial de fulla de llum. Amb aquest confinament altament anisòtrop podem considerar els nostres condensats de Bose-Einstein bidimensionals per a números d'àtoms de l'ordre de 1000. A la tercera part demostrem l'obtenció d'imatges amb resolució d'un sol node d'un gas quàntic bosònic de Sr-84 en un potencial de xarxa òptica en règim de Hubbard. Confinem el gas quàntic mitjançant una xarxa òptica bidimensional i el potencial de fulla de llum abans esmentat, tots dos operant a la longitud d'ona màgica del rellotge d'estronci. Un objectiu d'imatge d'alta obertura numèrica permet obtenir imatges de fluorescència amb una resolució de resoltes en un sol àtom i un sol node mitjançant la dispersió de fotons a l'àmplia transició de 461 nm de l'estronci, alhora que es realitza un refredament eficaç de Sísif atractiu dels àtoms en una transició més estreta. Reconstruïm l'ocupació atòmica dels nodes de la xarxa a partir de les imatges de fluorescència, obtenint fidelitats d'imatge superiors al 94%. Finalment, realitzem un superfluid de Sr-84 al règim de Bose-Hubbard i observem el seu patró d'interferència característic després de l'expansió lliure al full de llum amb resolució d'un sol àtom. El nostre microscopi de gasos quàntics d'estronci proporciona una nova plataforma per estudiar models Hubbard dissipatius i efectes cooperatius en la interacció àtom-llum a nivell microscòpic. A més, la capacitat de capturar també l'isòtop fermiònic Sr-87 aplana el camí per generar gasos de Fermi degenerats amb simetria SU(N) i estudiar el magnetisme quàntic SU(N). (Español) El desarrollo de los microscopios para gases cuánticos ha revolucionado el campo de la simulación cuántica con átomos ultrafríos. Más concretamente, su capacidad de observar y manipular gases cuánticos degenerados en redes ópticas a nivel de una sola partícula ha aportado nuevas formas de explorar y diseñar sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Hasta ahora, la mayoría de microscopios para gases cuánticos han utilizado átomos alcalinos. No obstante, la combinación de la microscopía cuántica de gases con las propiedades de los átomos alcalinotérreos, como el estroncio, abre nuevas e interesantes líneas de investigación. En esta tesis, detallamos el diseño y construcción de un microscopio para gases cuánticos de estroncio. Los resultados de esta tesis pueden dividirse en tres partes. En la primera parte, nos centramos en la acumulación de átomos en la celda de ciencia y desarrollamos una estrategia para aumentar el número de átomos en trampas magneto-ópticas de átomos de estroncio que utilizan la transición a 461 nm. Esta estrategia consiste en poblar resonantemente un estado reservorio de corto tiempo de vida, evitando parcialmente las pérdidas atómicas asociados al ciclo de enfriamiento. Demostramos un aumento en un factor 2 en el número de átomos para los isótopos bosónicos Sr-88 y Sr-84, y el isótopo fermiónico Sr-87, mostrando su captura eficiente en nuestro experimento. Nuestra estrategia puede ser fácilmente utilizado en la mayoría de experimentos con estroncio, dado que la transición empleada se utiliza habitualmente para el enfriamiento posterior. En nuestro caso, dicha estrategia facilita la generación de condensados de Bose-Einstein. La segunda parte de la tesis presenta la generación de gases cuánticos de hasta 200000 átomos. Tras resumir los pasos de enfriamiento necesarios, estudiamos la formación de condensados de Bose-Einstein durante el enfriamiento por evaporación en nuestro experimento. El análisis de la evolución del tamaño horizontal y vertical de las nubes atómicas en caída libre conduce a una expansión asimétrica característica. También mostramos la generación de condensados de Bose-Einstein más pequeños de menos de 20000 átomos con la ayuda de un potencial de tipo "hoja de luz". Con este confinamiento altamente anisótropo nuestros condensados pueden considerarse bidimensionales para números de átomos del orden de 1000. En la tercera parte demostramos la obtención de imágenes de un gas cuántico bosónico de Sr-84 confinado en una red óptica en régimen de Hubbard, con resolución a nivel del átomo único. Confinamos el gas cuántico mediante una red óptica bidimensional y el poten
The development of quantum-gas microscopes has brought novel ways of probing quantum degenerate many-body systems at the single-atom level. Until now, most of these setups have focused on alkali atoms. Expanding quantum-gas microscopy to alkaline-earth elements will provide new tools, such as SU( N )-symmetric fermionic isotopes or ultranarrow optical transitions, to the field of quantum simulation. Here we demonstrate the site-resolved imaging of a 84 Sr bosonic quantum gas in a Hubbard-regime optical lattice. The quantum gas is confined by a two-dimensional in-plane lattice and a light-sheet potential, which operate at the strontium clock-magic wavelength of 813.4 nm. We realize fluorescence imaging using the broad 461-nm transition, which provides high spatial resolution. Simultaneously, we perform attractive Sisyphus cooling with the narrow 689-nm intercombination line. We reconstruct the atomic occupation from the fluorescence images, obtaining imaging fidelities above 94 % . Finally, we realize a 84 Sr superfluid in the Bose-Hubbard regime. We observe its interference pattern upon expansion, a probe of phase coherence, with single-atom resolution. Our strontium quantum-gas microscope provides a new platform to study dissipative Hubbard models, quantum optics in atomic arrays, and SU( N ) fermions at the microscopic level. Published by the American Physical Society 2024
En aquesta tesi presentem un conjunt d'estudis sobre sistemes atomics on els efectes quantics son especialment destacats. Aquests estudis s'han dut a terme aplicant diverses tecniques de la fisica teorica de molts cossos.
En primer lloc hem estudiat la possible existencia d'una transicio de fase superfluida en un gas ultrafred d'atoms fermionics, mitjancant una generalitzacio de la teoria BCS de la superconductivitat que dona especial rellevancia al paper jugat per l'asimetria de densitat entre les dues especies, i permet que l'estat fonamental presenti un trencament espontani de simetria.
En una segona part, hem estudiat la dinamica d'un condensat de Bose-Einstein el grau de llibertat d'espi del qual pot evolucionar dins d'una trampa optica quasi-unidimensional, tant a temperatura zero com finita, mitjancant una formulacio de camp mitja.
Finalment, hem dut a terme un estudi detallat de l'estat fonamental i la tensio lineal de sistemes bidimensional d'heli-4, primerament mitjancant les tecniques de Monte Carlo, i posteriorment amb un funcional de la densitat construit amb aquest objectiu.
RESUM EN CASTELLA:
En esta tesis se presenta un conjunto de estudios sobre sistemas atomicos donde los efectos cuanticos son especialmente destacados. Dichos estudios se han llevado a cabo aplicando varias tecnicas de la fisica teorica de muchos cuerpos.
En primer lugar, se ha estudiado la posible existencia de una transicion superfluida en un gas ultrafrio de atomos fermionicos mediante una generalizacion de la teoria BCS de la superconductividad que presta especial atencion al papel jugado por la asimetria de densidad entre las dos especies, y permite que el estado fundamental presente una rotura espontanea de simetria.
En una segunda parte, se ha estudiado la dinamica de un condensado de Bose-Einstein cuyo grado de libertad de espin puede evolucionar en una trampa optica cuasi-unidimensional, tanto a temperatura cero como finita, mediante una formulacion de campo medio.
Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio detallado del estado fundamental y la tension lineal de sistemas bidimensionales de helio-4, primeramente mediante las tecnicas de Monte Carlo, y posteriormente con un funcional de la densidad construido al efecto.
PALABRAS CLAVE: Atomos frios, Aparejamiento, Condensado espinorial, Helio, Dos dimensiones
SUMMARY:
This thesis presents a set of studies on atomic systems where quantum efects are particularly relevant. These studies have been developed by applying a variety of tools from many-body physics.
First of all, we have studied the prospects for the existance of a superfluid transition in an ultracold gas of fermionic atoms, by generalizing the BCS theory of superconductivity to the case when the two species that pair have different densities and the ground state may spontaneously break one or more symmetries.
In a second part, we have studied the dynamics of a Bose-Einstein condensate whose spin degree of freedom is free to evolve inside a quasi-onedimensional optical trap. We have used a mean-field formulation to address both the zero temperature case and the finite temperature one.
Finally, we have performed a careful study of the ground state and the line tension of two-dimensional systems of helium-4. First, we have used Monte Carlo techniques, then with a Density Functional built on-purpose.
KEYWORDS: Cold gases, Pairing, Spinor condensate, Helium, Two dimensions
(English) Cold atom platforms have become central to quantum technologies such as information processing, simulation, and metrology. Their versatility and high degree of control make them especially powerful. A key breakthrough in the field was the ability to trap individual atoms using light. Far-off-resonant optical dipole traps—like optical tweezers and lattices—enable precise positioning of atoms in diverse geometries, from simple 2D arrays to complex 3D structures. Another major advantage of cold atoms is their ability to mediate interactions between photons, which do not naturally interact in free space. Cold atomic ensembles act as a nonlinear medium, enabling strong interactions even at the two-photon level. Using collective atom-photon coupling and Rydberg-state excitations, they allow for photon-photon gates and the creation of non-classical states of light. These two features—strong optical nonlinearities and precise atomic positioning—make cold atoms a leading platform for quantum networks, quantum simulations, and studies of light-matter interaction. A phenomenon common to both platforms is photon scattering, which can either be of an intended or unintended nature. Up until recently, simple theories of scattering were sufficient for the community. However, the advance of atomic platforms now requires more nuanced and sophisticated theories to understand scattering and their consequences on applications. This constitutes the main theme of the thesis. In the application of atom trapping, in many practical situations atoms may experience state-dependent potentials. The potential mismatch can lead to excess heating and reduced elastic scattering of light, as compared to well-known limits like an atom in “magic-wavelength” traps or a trapped ion. In the first part of the thesis, we develop a model to analyze these effects, which can have important consequences in quantum optics or in atom imaging. In the second part of the thesis, we investigate how Rydberg spin waves decohere in the presence of light scattering, within the context of Rydberg Electromagnetically Induced Transparency (EIT). Within Rydberg EIT, an initial photon is stored as a coherent, extended superposition across atoms. This initial photon can strongly modify the propagation of subsequent photons, leading to large nonlinearities, but the scattering of subsequent photons can reveal information about where the first photon was stored, leading to decoherence of the initial superposition state. This in turn can lead to decreased utility or ability to retrieve the first photon. Here, we elucidate the nature of decoherence, and in particular for the first time we take fully into account the three-dimensional nature of the ensemble and its multiple scattering of light. We find regimes in which multiple scattering might offer additional protection from decoherence, as compared to previous simplified theories. Overall, this thesis makes new advances in understanding the nature of microscopic atom-light interactions and scattering, and connects this fundamental physics to key consequences in real-life applications. (Català) Les plataformes d’àtoms freds s’han situat al centre de les tecnologies quàntiques com ara el processament d’informació, la simulació i la metrologia. La seva versatilitat i el seu alt grau de control les fan especialment potents. Un dels avenços clau en aquest camp ha estat la capacitat de capturar àtoms individuals mitjançant llum. Les trampes òptiques dipolars fora de ressonància —com les pinces òptiques i les xarxes òptiques (lattices)— permeten posicionar àtoms amb gran precisió en una varietat de geometries, des d’arranjaments bidimensionals senzills fins a estructures tridimensionals complexes. Un altre gran avantatge dels àtoms freds és la seva capacitat de mediar interaccions entre fotons, que de manera natural no interaccionen en l’espai lliure. Els conjunts d’àtoms freds actuen com un medi no lineal, possibilitant interaccions fortes fins i tot a nivell d’un sol fotó. Mitjançant l’acoblament col·lectiu entre àtoms i fotons i les excitacions als estats de Rydberg, es poden implementar portes fotòniques i generar estats no clàssics de la llum. Aquestes dues característiques —no linealitats òptiques fortes i posicionament atòmic precís— fan dels àtoms freds una plataforma capdavantera per a xarxes quàntiques, simulacions quàntiques i l’estudi de la interacció llum-matèria. Un fenomen comú tant en les tècniques de captura d’àtoms com en l’òptica no lineal quàntica és la dispersió de fotons, que pot ser desitjada o no. Fins fa poc, les teories simples de dispersió eren suficients per a la comunitat. No obstant això, el desenvolupament de plataformes atòmiques més sofisticades exigeix teories més matisades i elaborades per entendre la dispersió i les seves conseqüències en les aplicacions. Aquest és el tema principal de la tesi. En el context de la captura d’àtoms, en moltes situacions pràctiques els àtoms poden experimentar potencials dependents de l’estat intern. Aquesta discrepància dels potencials pot generar escalfament excessiu i una reducció de la dispersió elàstica de la llum, en comparació amb límits ben coneguts com els que es troben en trampes de “longitud d’ona màgica” o en ions atrapats. En la primera part de la tesi, desenvolupem un model per analitzar aquests efectes, que tenen implicacions importants en òptica quàntica o en la imatge d’àtoms. En la segona part de la tesi, investiguem la decoherència en les ones d’espín de Rydberg en presència de la dispersió de la llum, en el context de la Transparència Induïda Electromagnèticament (EIT) amb Rydberg. En aquest esquema, un fotó inicial s’emmagatzema com una superposició coherent i estesa entre àtoms. Aquest fotó pot modificar fortament la propagació dels fotons posteriors, produint grans no linealitats, però la dispersió d’aquests fotons pot revelar informació sobre la localització del primer fotó, provocant la descoherència de l’estat de superposició inicial. Aquest és un mechanisme que pot reduir la possibilitat de recuperar el primer fotó. En aquest treball, es detalla la naturalesa d’aquesta descoherència, i per primera vegada es té en compte de manera completa la naturalesa tridimensional del conjunt atòmic i la dispersió múltiple de la llum. Identifiquem règims en què la dispersió múltiple pot oferir una protecció addicional contra la descoherència, en contrast amb les teories simplificades anteriors. En conjunt, aquesta tesi aporta nous avenços en la comprensió de les interaccions microscòpiques entre àtoms i llum, i connecta aquesta física fonamental amb conseqüències rellevants en aplicacions del món real. (Español) Las plataformas de átomos fríos se han vuelto centrales en tecnologías cuánticas como el procesamiento de información, la simulación y la metrología. Su versatilidad y alto grado de control las hacen especialmente poderosas. Un avance clave en el campo fue la capacidad de atrapar átomos individuales utilizando luz. Las trampas ópticas dipolares fuera de resonancia —como las pinzas ópticas y los arreglos en red (lattices)— permiten posicionar átomos con precisión en geometrías diversas, desde simples arreglos 2D hasta estructuras complejas en 3D. Otra gran ventaja de los átomos fríos es su capacidad para mediar interacciones entre fotones, los cuales no interactúan de forma natural en el espacio libre. Los conjuntos atómicos fríos actúan como un medio no lineal, permitiendo interacciones fuertes incluso a nivel de un solo fotón. Mediante el acoplamiento colectivo átomo-fotón y las excitaciones a estados de Rydberg, se hacen posibles compuertas entre fotones y la creación de estados no clásicos de luz. Estas dos características —no linealidades ópticas fuertes y posicionamiento atómico preciso— hacen de los átomos fríos una plataforma líder para redes cuánticas, simulaciones cuánticas y estudios de la interacción luz-materia. Un fenómeno común tanto en las herramientas de atrapamiento atómico como en la óptica no lineal cuántica es la dispersión de fotones, que puede ser intencionada o no. Hasta hace poco, teorías simples de dispersión eran suficientes para la comunidad. Sin embargo, el avance de las plataformas atómicas ahora requiere teorías más matizadas y sofisticadas para entender la dispersión y sus consecuencias en diversas aplicaciones. Este constituye el tema principal de la tesis. En la aplicación del atrapamiento atómico, en muchas situaciones prácticas los átomos pueden experimentar potenciales dependientes del estado interno. Esta diferencia de los potenciales puede conducir a un calentamiento excesivo y a una reducción de la dispersión elástica de la luz, en comparación con límites bien conocidos como los que se dan en trampas de “longitud de onda mágica” o en iones atrapados. En la primera parte de la tesis, desarrollamos un modelo para analizar estos efectos, los cuales pueden tener consecuencias importantes en óptica cuántica o en la imagen de átomos. En la segunda parte de la tesis, investigamos la decoheréncia de las ondas de espín de Rydberg en presencia de a dispersión de la luz, dentro del contexto de Transparencia Inducida por Electromagnetismo (EIT) con Rydberg. En este esquema, un fotón inicial se almacena como una superposición coherente y extendida entre átomos. Este fotón inicial puede modificar fuertemente la propagación de fotones posteriores, dando lugar a grandes no linealidades, pero la dispersión de esos fotones posteriores puede revelar información sobre dónde fue almacenado el primer fotón, causando la descoherencia de la superposición inicial. Esto a su vez puede reducir la utilidad o la capacidad de recuperar ese primer fotón. En este trabajo, elucidamos la naturaleza de esta descoherencia, y en particular, por primera vez consideramos plenamente la naturaleza tridimensional del conjunto atómico y la dispersión múltiple de
Recent advances in using microscopes in ultracold atom experiment have allowed experimenters for the first time to directly observe and manipulate individual atoms in individual lattice sites. This technique enhances our capability to simulate strongly correlated systems such as Mott insulator and high temperature superconductivity. Currently, all ultracold atom experiments with high resolution imaging capability use bosonic atoms. In this thesis, I present our progress towards creating the fermionic version of the microscope experiment which is more suitable for simulating real condensed matter systems. Lithium is ideal due to the existence of both fermionic and bosonic isotopes, its light mass, which means faster experiment time scales that suppresses many sources of technical noise, and also due to the existence of a broad Feshbach resonance, which can be used to tune the inter-particle interaction strength over a wide range from attractive, non-interacting, and repulsive interactions. A high numerical aperture objective will be used to image and manipulate the atoms with single lattice site resolution. This setup should allow us to implement the Hubbard hamiltonian which could describe interesting quantum phases such as antiferromagnetism, d-wave superfluidity, and high temperature superconductivity. I will also discuss the feasibility of the Raman sideband cooling method for cooling the atoms during the imaging process. We have also developed a new electronic control system to control the sequence of the experiment. This electronic system is very scalable in order to keep up with the increasing complexity of atomic physics experiments. Furthermore, the system is also designed to be more precise in order to keep up with the faster time scale of lithium experiment.
This thesis describes the methods used to achieve single-atom and single-site resolved fluorescence imaging of a quantum gas of fermionic atoms held in an optical lattice. This kind of quantum gas microscopy has been previously applied to bosonic atoms in two experiments, and has allowed for extensive studies of many-body quantum systems. Here we detail methods to extend the techniques of quantum gas microscopy to fermionic species of atoms, opening the door to quantum simulation of electronic models of condensed matter physics. We prepare quantum degenerate gases of fermionic 40K through sympathetic cooling with a gas of \Rb. The gas prepared is trapped less than 1 mm away from a thin vacuum window, an experimental geometry which permits interrogation with a large Numerical Aperture microscope objective. The cloud is loaded into a 527 nm-period cubic optical lattice, ideal for quantum simulation of many-body models of fermionic particles such as the Hubbard model. The optical lattice is designed to allow for potential depths up to V/kB = 250 microKelvin, sufficient to strongly confine 40K atoms into individual lattice sites. EIT cooling --- a technique previously demonstrated in ion-trapping experiments --- is used to cool the fermionic atoms deeply towards the ground motional state of the lattice wells. We collect the photons scattered during continuous application of EIT cooling, while atoms are kept pinned in the lattice for many seconds. We strongly suppress all other sources of light with the use of a modulated cooling scheme and a spinning chopper wheel. Collecting the scattered light produced during 2 s of EIT cooling allows us to resolve single atoms in a fluorescence image. We demonstrate that the high resolution of our imaging apparatus also permits atom positions to be precisely identified on the length scale of the optical lattice. Thus we demonstrate the realisation of a quantum gas microscope for fermionic atoms, allowing for precise investigation of the ground states and dynamics of correlated quantum states of fermionic particles.