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Weitenberg, Christof (2011): Single-Atom Resolved Imaging and Manipulation in an Atomic Mott Insulator. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

This thesis reports on new experimental techniques for the study of strongly correlated states of ultracold atoms in optical lattices. We used a high numerical aperture imaging system to probe 87Rb atoms in a two-dimensional lattice with single-site resolution. Fluorescence imaging allows to detect single atoms with a large signal to noise ratio and to reconstruct the atom distribution on the lattice. We applied this new technique to a two-dimensional Mott insulator and directly observed number squeezing and the emerging shell structure. A comparison of the radial density and variance distributions to theory provides a precise in situ temperature and entropy measurement from single images. We find entropies around the critical value for quantum magnetism. In a second series of experiments, we demonstrated two-dimensional single-site spin control in the optical lattice. The differential light shift of a tightly focused laser beam shifts selected atoms into resonance with a microwave field driving a spin flip. In this way, we reach sub-diffraction limited spatial resolution well below the lattice spacing. Starting from a Mott insulator with unity filling we were able to create arbitrary spin patterns. We used this ability to prepare atom distributions to study one-dimensional single-particle tunneling dynamics in a lattice. By discriminating the dynamics of the ground state and of the first excited band, we find that our addressing scheme leaves most atoms in the vibrational ground state. Moreover, we studied coherent light scattering from the atoms in the optical lattice and found diffraction maxima in the far-field. We showed that an antiferromagnetic order leads to additional diffraction peaks which can be used to detect this order also when single-site resolution is not available. The new techniques described in this thesis open the path to a wide range of novel applications from quantum dynamics of spin impurities, entropy transport, implementation of novel cooling schemes, and engineering of quantum many-body phases to quantum information processing.

Abstract

In dieser Arbeit werden neue experimentelle Techniken für die Untersuchung von stark korrelierten Zuständen von ultrakalten Atomen in optischen Gittern vorgestellt. Wir untersuchen 87Rb Atome in einem zwei-dimensionalen Gitter und erreichen dabei eine Auflösung der einzelnen Gitterplätze mit Hilfe eines hochauflösenden Abbildungssystems. Fluoreszenzabbildung erlaubt es, einzelne Atome mit großem Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu detektieren und die Verteilung der Atome auf dem Gitter zu rekonstruieren. Wir wenden diese neue Technik auf einen zwei-dimensionalen Mott-Isolator an and beobachten direkt das number squeezing und die Schalenstrukur. Ein Vergleich der radialen Dichte- und Varianzverteilung mit der Theorie ermöglicht eine präzise Temperatur- und Entropiemessung an einzelnen Bildern und wir finden Entropien um den kritischen Wert für Quantenmagnetismus. In einer zweiten Reihe von Experimenten zeigen wir, dass wir gezielt einzelne atomare Spinzustände im Gitter manipulieren können ohne die benachbarten Atome zu beeinflussen. Wir benutzen den differentiellen light shift eines stark fokussierten Laserstrahls, um einzelne Atome in Resonanz mit einem Mikrowellenfeld zu bringen, das den Spin umklappt. Auf diese Weise erreichen wir eine Ortsauflösung unter der Beugungsgrenze. Wir beginnen mit einem Mott-Isolator mit einem Atom pro Gitterplatz und können darin beliebige Spinmuster erzeugen. Diese neuen Möglichkeiten zur Präparation atomarer Verteilungen nutzen wir, um die eindimensionale Einteilchen-Tunneldynamik in einem Gitter zu untersuchen. Wir unterscheiden die Dynamik von Atomen im Grundzustand und im ersten angeregten Band und zeigen so, dass unser Adressierschema die meisten Atome im Grundzustand lässt. Darüber hinaus untersuchen wir kohärente Lichtstreuung an den Atomen im Gitter und finden Beugungsmaxima im Fernfeld. Wir zeigen, dass eine antiferromagnetische Ordnung der Atome zu zusätzlichen Beugungsmaxima führt, die man auch ohne unsere hohe Auflösung zum Nachweis dieser Ordnung nutzen könnte. Die neuen Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, öffnen den Weg für viele neue Anwendungen von der Quantendynamik von Spin-Defekten, Entropietransport, der Umsetzung neuer Kühlschemata sowie der Realisierung von Quanten-Vielteilchenphasen bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung.