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A laser system towards single-site imaging of ultracold polar NaK molecules in an optical lattice / Ein Lasersystem hin zur positionsaufgelösten Abbildung ultrakalter polarer NaK-Moleküle in einem optischen Gitter

L. Bleiziffer

Published Jan 1, 2024• 0 citations
OpenAlex

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A Laser System for Cavity-Enhanced State-Dependent Optical Lattices for Ultracold Strontium / Ein Lasersystem für Resonator-verstärkte zustandsabhängige optische Gitter für ultrakaltes Strontium

Ö. Ersahan

•Jan 1, 2023•0 citations

Quantum control of ultracold NaK polar molecules in optical traps

Ming Li, Alexander A. Petrov, Constantinos Makrides +1 more

Bulletin of the American Physical Society•May 26, 2016•0 citations

Ultracold polar molecules in a 3D optical lattice

Bo Yan

Bulletin of the American Physical Society•Jun 11, 2015•0 citations

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

Thomas Georg Ponath

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.

•Jul 30, 2018•0 citations

Tunable Superfluidity with Ultracold Polar Molecules on quasi-1D Optical Lattices

Salvatore R. Manmana, Alexey Vyacheslavovich Gorshkov, Kevin A. Kuns +5 more

Bulletin of the American Physical Society•Feb 27, 2012•0 citations

Quantum Degenerate Fermi-Bose Mixtures of 40K and 87Rb in 3D Optical Lattices

Silke Ospelkaus

Recent years have seen spectacular progress towards the realization of novel strongly correlated systems with homonuclear ultracold quantum gases. The strongly correlated regime has been demonstrated to be accessible both by means of strong, periodic confinement as demonstrated in experiments with optical lattices and through strong resonant interactions which can be produced by means of Feshbach resonances. Given the impressive development seen in homonuclear systems, heteronuclear systems composed of particles with different quantum-statistical behavior (Fermi-Bose mixtures) offer an even wider spectrum of possibilities for quantum simulation and strongly correlated phases, in particular when loaded into an optical lattice and combined with the possibility of almost arbitrary interactions through Feshbach resonances. In this thesis, experiments with Fermi-Bose mixtures in 3-dimensional optical lattices and under the influence of tunable heteronuclear interactions are presented. An experiment allowing for the creation of large mixtures of quantum degenerate fermionic 40K and bosonic 87Rb gases has been set up together with C. Ospelkaus. The onset of degeneracy in both components is demonstrated, and effects of the heteronuclear attractive background interaction are studied. Heteronuclear Feshbach resonances have been used for the first time in order to change the interaction properties of the mixture in a controlled fashion. This has allowed the study of the complete phase diagram of harmonically trapped mixtures, ranging from stable attractively interacting mixtures over a Feshbach-driven controlled mean field collapse of the system for strong attractive interactions, the onset of phase separation for strong repulsive interactions to stable, repulsively interacting mixtures. The studies of Feshbach resonances have also led to the identification of the first p-wave heteronuclear resonance. The periodic potential of an optical lattice is an ideal environment for simulation of quantum many-body Hamiltonians and systems of reduced dimensionality. Theoretical results for fermionic and bosonic atoms in optical lattices are presented, both in a single particle picture, highlighting the role of the external trapping potential, as well as in the interacting many-particle limit. This thesis documents the first realization of a Fermi-Bose quantum many-body system in a 3D optical lattice. In these experiments, the effect of a small fermionic fraction on the coherence properties of the bosonic sample is investigated. Already a small fermionic impurity fraction strongly affects the coherence properties of the bosonic cloud. The quantitative analysis shows that in the presence of the fermionic component, decoherence of the bosonic ensemble occurs at much lower lattice depths than for a pure bosonic sample. The surprisingly large effect has triggered an intense discussion on possible explanations in terms of thermodynamic properties, mean field models and disorder-related localization scenarios. Combining tunable interactions with 3-dimensional optical lattices, formation of heteronuclear Feshbach molecules in single wells of the lattice is demonstrated for the first time, along with a determination of the molecular binding energy and lifetime. By subsequent two-color photoassociation schemes, these (externally) ground state molecules may be transferred into their internal ground state where they exhibit a permanent electric dipole moment. This may result in the realization of novel quantum gases with anisotropic interactions. Das Feld ultrakalter homonuklearer Quantengase wurde in den letzten Jahren durch fundamentale Fortschritte in der Realisierung stark korrelierter Systeme gepragt. Das Regime starker Korrelation wurde sowohl durch starke aussere Einschlusspotentiale in optischen Gittern als auch durch starke resonante Wechselwirkung an einer Feshbach-Resonanz erreicht. Heteronukleare Systeme gemischter Quantenstatistik (Fermi-Bose Mischungen), kombiniert mit dreidimensionalen optischen Gittern und einstellbarer Wechselwirkung, eroffnen die Perspektive, fundamental neue Quantenphasen stark korrelierter Systeme zu realisieren und in einer extrem reinen und kontrollierbaren Umgebung zu studieren. In dieser Arbeit wurde zusammen mit C. Ospelkaus ein Experiment zum Studium ultrakalter Fermi-Bose Mischungen aus 40K und 87Rb in dreidimensionalen optischen Gittern mit einstellbarer Wechselwirkung aufgebaut. Ausgehend von quantentarteten Mischungen groser Teilchenzahl wurden Effekte der attraktiven Hintergrundwechselwirkung zwischen den Konstituenten untersucht. Die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung an einer heteronuklearen Feshbach-Resonanz wurde erstmalig demonstriert und die grundlegenden Phasen harmonisch gefangener Fermi-Bose Mischungen untersucht. Dies reicht von einem wechselwirkungsinduzierten Kollaps im Falle attraktiver Wechselwirkung uber stabile Mischungen attraktiver und repulsiver Wechselwirkung bis hin zur Phasenseparation im Falle starker repulsiver Wechselwirkung. Periodische optische Potentiale bieten eine ideale Umgebung zur Simulation von Vielteilchen-Hamiltonoperatoren und niederdimensionalen Systemen. Grundlegende theoretische Ergebnisse fur fermionische und bosonische Systeme in optischen Gittern werden sowohl aus der Perspektive eines Einteilchenbildes als auch eines Vielteilchenbildes mit und ohne Wechselwirkung vorgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Vielteilchensystem gemischter Statistik in einem dreidimensionalen optischen Gitter realisiert. In ersten Experimenten wurden die Koharenzeigenschaften der bosonischen Komponente unter dem Einfluss der fermionischen Atome untersucht. Bereits eine kleine Beimischung fermionischer Atome beeinflusst die Koharenzeigenschaften der Bosonen signifikant und induziert einen Koharenzverlust in der bosonischen Wolke bei wesentlich flacheren Gittern als im rein bosonischen System. Die Ursache dieses erstaunlich grosen Effektes wird derzeitig kontrovers diskutiert. Als mogliche Ursachen werden thermodynamische Eigenschaften des Ladeprozesses der Mischung in das Gitter, eine Verschiebung des Ubergangs einer superfluiden in eine Mott-isolierende Phase unter dem Einfluss der heteronuklearen Wechselwirkung sowie unordnungsinduzierte Lokalisierungsphanomene diskutiert. Schlieslich wird die erstmalige Erzeugung langlebiger heteronuklearer Feshbach-Molekule in einem optischen Gitter vorgestellt. In diesen Experimenten wird die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung an einer Feshbach Resonanz mit dreidimensionalen optischen Gittern kombiniert. Die Effizienz des Assoziationsprozesses wird charakterisiert und die Bindungsenergie und Lebensdauer der Molekule gemessen. Fur heteronukleare Molekule aus 40K und 87Rb wird ein permanentes elektrisches Dipolmoment in ihrem absoluten Grundzustand vorhergesagt. Diese heteronuklearen Molekule bieten daher weitreichende Perspektiven zum Studium von Quantengasen anisotroper dipolarer Wechselwirkung.

•Feb 28, 2007•8 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.
Recent years have seen spectacular progress towards the realization of novel strongly correlated systems with homonuclear ultracold quantum gases. The strongly correlated regime has been demonstrated to be accessible both by means of strong, periodic confinement as demonstrated in experiments with optical lattices and through strong resonant interactions which can be produced by means of Feshbach resonances. Given the impressive development seen in homonuclear systems, heteronuclear systems composed of particles with different quantum-statistical behavior (Fermi-Bose mixtures) offer an even wider spectrum of possibilities for quantum simulation and strongly correlated phases, in particular when loaded into an optical lattice and combined with the possibility of almost arbitrary interactions through Feshbach resonances. In this thesis, experiments with Fermi-Bose mixtures in 3-dimensional optical lattices and under the influence of tunable heteronuclear interactions are presented. An experiment allowing for the creation of large mixtures of quantum degenerate fermionic 40K and bosonic 87Rb gases has been set up together with C. Ospelkaus. The onset of degeneracy in both components is demonstrated, and effects of the heteronuclear attractive background interaction are studied. Heteronuclear Feshbach resonances have been used for the first time in order to change the interaction properties of the mixture in a controlled fashion. This has allowed the study of the complete phase diagram of harmonically trapped mixtures, ranging from stable attractively interacting mixtures over a Feshbach-driven controlled mean field collapse of the system for strong attractive interactions, the onset of phase separation for strong repulsive interactions to stable, repulsively interacting mixtures. The studies of Feshbach resonances have also led to the identification of the first p-wave heteronuclear resonance. The periodic potential of an optical lattice is an ideal environment for simulation of quantum many-body Hamiltonians and systems of reduced dimensionality. Theoretical results for fermionic and bosonic atoms in optical lattices are presented, both in a single particle picture, highlighting the role of the external trapping potential, as well as in the interacting many-particle limit. This thesis documents the first realization of a Fermi-Bose quantum many-body system in a 3D optical lattice. In these experiments, the effect of a small fermionic fraction on the coherence properties of the bosonic sample is investigated. Already a small fermionic impurity fraction strongly affects the coherence properties of the bosonic cloud. The quantitative analysis shows that in the presence of the fermionic component, decoherence of the bosonic ensemble occurs at much lower lattice depths than for a pure bosonic sample. The surprisingly large effect has triggered an intense discussion on possible explanations in terms of thermodynamic properties, mean field models and disorder-related localization scenarios. Combining tunable interactions with 3-dimensional optical lattices, formation of heteronuclear Feshbach molecules in single wells of the lattice is demonstrated for the first time, along with a determination of the molecular binding energy and lifetime. By subsequent two-color photoassociation schemes, these (externally) ground state molecules may be transferred into their internal ground state where they exhibit a permanent electric dipole moment. This may result in the realization of novel quantum gases with anisotropic interactions. Das Feld ultrakalter homonuklearer Quantengase wurde in den letzten Jahren durch fundamentale Fortschritte in der Realisierung stark korrelierter Systeme gepragt. Das Regime starker Korrelation wurde sowohl durch starke aussere Einschlusspotentiale in optischen Gittern als auch durch starke resonante Wechselwirkung an einer Feshbach-Resonanz erreicht. Heteronukleare Systeme gemischter Quantenstatistik (Fermi-Bose Mischungen), kombiniert mit dreidimensionalen optischen Gittern und einstellbarer Wechselwirkung, eroffnen die Perspektive, fundamental neue Quantenphasen stark korrelierter Systeme zu realisieren und in einer extrem reinen und kontrollierbaren Umgebung zu studieren. In dieser Arbeit wurde zusammen mit C. Ospelkaus ein Experiment zum Studium ultrakalter Fermi-Bose Mischungen aus 40K und 87Rb in dreidimensionalen optischen Gittern mit einstellbarer Wechselwirkung aufgebaut. Ausgehend von quantentarteten Mischungen groser Teilchenzahl wurden Effekte der attraktiven Hintergrundwechselwirkung zwischen den Konstituenten untersucht. Die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung an einer heteronuklearen Feshbach-Resonanz wurde erstmalig demonstriert und die grundlegenden Phasen harmonisch gefangener Fermi-Bose Mischungen untersucht. Dies reicht von einem wechselwirkungsinduzierten Kollaps im Falle attraktiver Wechselwirkung uber stabile Mischungen attraktiver und repulsiver Wechselwirkung bis hin zur Phasenseparation im Falle starker repulsiver Wechselwirkung. Periodische optische Potentiale bieten eine ideale Umgebung zur Simulation von Vielteilchen-Hamiltonoperatoren und niederdimensionalen Systemen. Grundlegende theoretische Ergebnisse fur fermionische und bosonische Systeme in optischen Gittern werden sowohl aus der Perspektive eines Einteilchenbildes als auch eines Vielteilchenbildes mit und ohne Wechselwirkung vorgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Vielteilchensystem gemischter Statistik in einem dreidimensionalen optischen Gitter realisiert. In ersten Experimenten wurden die Koharenzeigenschaften der bosonischen Komponente unter dem Einfluss der fermionischen Atome untersucht. Bereits eine kleine Beimischung fermionischer Atome beeinflusst die Koharenzeigenschaften der Bosonen signifikant und induziert einen Koharenzverlust in der bosonischen Wolke bei wesentlich flacheren Gittern als im rein bosonischen System. Die Ursache dieses erstaunlich grosen Effektes wird derzeitig kontrovers diskutiert. Als mogliche Ursachen werden thermodynamische Eigenschaften des Ladeprozesses der Mischung in das Gitter, eine Verschiebung des Ubergangs einer superfluiden in eine Mott-isolierende Phase unter dem Einfluss der heteronuklearen Wechselwirkung sowie unordnungsinduzierte Lokalisierungsphanomene diskutiert. Schlieslich wird die erstmalige Erzeugung langlebiger heteronuklearer Feshbach-Molekule in einem optischen Gitter vorgestellt. In diesen Experimenten wird die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung an einer Feshbach Resonanz mit dreidimensionalen optischen Gittern kombiniert. Die Effizienz des Assoziationsprozesses wird charakterisiert und die Bindungsenergie und Lebensdauer der Molekule gemessen. Fur heteronukleare Molekule aus 40K und 87Rb wird ein permanentes elektrisches Dipolmoment in ihrem absoluten Grundzustand vorhergesagt. Diese heteronuklearen Molekule bieten daher weitreichende Perspektiven zum Studium von Quantengasen anisotroper dipolarer Wechselwirkung.