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Costa, Louis (2011): An interacting Fermi-Fermi mixture at the crossover of a narrow Feshbach resonance. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

This work describes experiments with quantum-degenerate atomic mixtures at ultracold temperatures, where quantum statistics determine macroscopic system properties. The first heteronuclear molecules at ultracold temperatures are formed in a quantum degenerate two-species Fermi-Fermi mixture on the repulsive side of a narrow s-wave Feshbach resonance. Elastic collisions in this mixture are investigated with the method of cross-dimensional relaxation. Long-lived two-body bound states on the atomic side of the resonance are detected due to a many-body effect at the crossover of the narrow Feshbach resonance. In addition, atom scattering with fermionic 40K on a light field grating in the Bragg and Kapitza-Dirac regimes is realized for the first time. The versatile experimental platform, where the investigations are done, offers the possibility to perform studies on mixtures involving the bosonic species 87Rb and the two fermionic species 6Li and 40K. Within this work, mainly interactions between the two fermionic species are considered. A quantum-degenerate mixture of 6Li and 40K can be used to create heteronuclear bosonic molecules close to an interspecies s-wave Feshbach resonance. By an adiabatic magnetic field sweep, up to 4 × 10^4 molecules are produced with conversion efficiencies close to 50%. A direct and sensitive molecule detection method is developed to probe molecule properties. The lifetime of the molecules in an atom-molecule mixture exhibits a strong magnetic field dependence. Close to resonance, lifetimes of more than 100ms are observed what offers excellent starting conditions for further investigation and manipulation of the molecular cloud. The interspecies Feshbach resonance, which serves for the production of molecules, is further characterized. The method of cross-dimensional relaxation is applied for the first time to a Fermi-Fermi mixture. For this method, a non-equilibrium state is created, which rethermalizes by pure interspecies collisions due to the fermionic nature of the two species. The lighter atomic species, 6Li, relaxes faster in the mixture than the heavier one, 40K. This is verified by an analytical model, Monte-Carlo simulations, and measurements. With this technique, elastic scattering cross sections are measured over a wide range of magnetic field strengths across the Feshbach resonance. The position (B0 = 154.71(5)G) and the magnetic field width of the Feshbach resonance (Delta = 1.02(7)G) are determined. By comparison of the several measurements, long-lived bound states exist on the atomic side of the resonance due to a many-body effect in the crossover regime of the resonance. In addition, atomic scattering with ultracold 40K on a light field crystal is studied for the first time. The light grating is generated by two counter-propagating laser beams. Suitable pulse parameters for the realization of atom scattering in the Bragg and Kapitza-Dirac regime are found. The momentum spread of the cloud determines the efficiency of the scattering process, which is increased by lowering the temperature of the system.

Abstract

Diese Arbeit beschreibt Experimente mit quantenentarteten atomaren Mischungen bei ultrakalten Temperaturen, bei denen die Quantenstatistik der Atome relevant wird. Auf der molekularen Seite einer schmalen s-Wellen Feshbach Resonanz werden aus einer Mischung mit zwei fermionischen Spezies zum ersten Mal heteronukleare Moleküle bei ultrakalten Temperaturen gebunden. Mit der Methode der cross-dimensionalen Relaxation werden zudem in der gleichen Mischung elastische Kollisionen nahe der Resonanz untersucht. Langlebige gebundene Zustände auf der atomaren Seite der Feshbach Resonanz werden detektiert, die auf Grund einer Eigenschaft des Vielteilchensystems an der schmalen Feshbach Resonanz existieren. Darüber hinaus wird die Streuung von fermionischem 40K an einem Lichtgitter im Bragg- und Kapitza-Dirac Regime zum ersten Mal untersucht. Die vielseitig einsetzbare Apparatur, mit der die Experimente durchgeführt worden sind, eröffnet die Möglichkeit Untersuchungen an Mischungen, die das bosonische 87Rb und die beiden fermionischen Teilchensorten 6Li und 40K beinhalten, durchzuführen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde hauptsächlich die Wechselwirkung zwischen den beiden fermionischen Teilchensorten studiert. Eine quantenentartete Mischung aus 6Li und 40K kann verwendet werden, um heteronukleare bosonische Moleküle nahe einer interspezies s-Wellen Feshbach Resonanz zu bilden. Mit Hilfe einer adiabatischen Magnetfeldrampe werden bis zu 4×10^4 Moleküle produziert mit Konversionseffizienzen von bis zu 50%. Eine direkte Detektionsmethode für die Moleküle wird entwickelt, um deren Eigenschaften zu untersuchen. Die Lebensdauer der Moleküle in einem Atom-Molekülgemisch zeigt eine starke Magnetfeldabhängigkeit. Nahe der Resonanz, werden Lebensdauern von mehr als 100 ms beobachtet, die eine exzellente Ausgangslage für weitere Untersuchungen und Manipulationen der molekularen Wolke bieten. Die interspezies Feshbach Resonanz, die zur Molekülproduktion dient, wird weiter charakterisiert. Die Methode der cross-dimensionalen Relaxation wird zum ersten Mal auf eine Fermi-Fermi Mischung angewendet. Für diese Methode wird ein Nichtgleichgewichtszustand präpariert, der durch reine interspezies Kollisionen rethermalisiert. Die Teilchensorte mit der kleineren Masse, 6Li, relaxiert schneller in der Mischung als die größere Masse, 40K. Dies wird durch ein analytisches Modell, Monte-Carlo Simulationen und Messungen bestätigt. Mit dieser Methode werden außerdem elastische Streuquerschnitte über einem weiten Magnetfeldbereich nahe der Resonanz gemessen. Position (B0 = 154.71(5)G) und Magnetfeldbreite der Resonanz (Delta = 1.02(7)G) werden bestimmt. Durch Vergleich der verschiedenen Messungen werden langlebige gebundene Zustände auf der atomaren Seite der Resonanz gefunden, die auf Grund von Eigenschaften des Vielkörpersystems existieren. Außerdem wird atomare Streuung von ultrakaltem 40K an einem Lichtkristall zum ersten Mal untersucht. Das Lichtgitter wird durch zwei entgegensetzt verlaufende Laserstrahlen gebildet. Geeignete Pulsparameter für atomare Streuung im Bragg und Kapitza-Dirac Regime werden optimiert. Die Impulsbreite der atomaren Wolke bestimmt die Effizienz des Streuprozesses, die durch Verringern der Temperatur des Systems erhöht werden kann.