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Omran, Ahmed (2016): A microscope for Fermi gases. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Diese Dissertation berichtet über ein neuartiges Quantengasmikroskop, mit dem Vielteilchensysteme von fermionischen Atomen in optischen Gittern untersucht werden. Die einzelplatzaufgelöste Abbildung ultrakalter Gase im Gitter hat mächtige Experimente an bosonischen Vielteilchensystemen ermöglicht. Die Erweiterung dieser Fähigkeit auf Fermigase bietet neue Aussichten, komplexe Phänomene stark korrelierter Systeme zu erforschen, für die numerische Simulationen oft nicht möglich sind. Mit Standardtechniken der Laserkühlung, optischen Fallen und Verdampfungskühlung werden ultrakalte Fermigase von 6Li präpariert und in ein 2D optisches Gitter mit flexibler Geometrie geladen. Die Atomverteilung wird mithilfe eines zweiten, kurzskaligen Gitters eingefroren. Durch Raman-Seitenbandkühlung wird an jedem Atom Fluoreszenz induziert, während seine Position festgehalten wird. Zusammen mit hochauflösender Abbildung erlaubt die Fluoreszenz die Rekonstruktion der ursprünglichen Verteilung mit Einzelplatzauflösung und hoher Genauigkeit. Mithilfe von magnetisch angetriebener Verdampfungskühlung produzieren wir entartete Fermigase mit fast einheitlicher Füllung im ersten Gitter. Dies ermöglicht die ersten mikroskopischen Untersuchungen an einem ultrakalten Gas mit klaren Anzeichen von Fermi-Statistik. Durch die Präparation eines Ensembles spinpolarisierter Fermigase detektieren wir eine Abflachung im Dichteprofil im Zentrum der Wolke, ein Charakteristikum bandisolierender Zustände. In einem Satz von Experimenten weisen wir nach, dass Verluste von Atompaaren an einem Gitterplatz, bedingt durch lichtinduzierte Stöße, umgangen werden. Die Überabtastung des zweiten Gitters erlaubt eine deterministische Trennung der Atompaare in unterschiedliche Gitterplätze. Die Kompression einer dichten Wolke in der Falle vor dem Laden ins Gitter führt zu vielen Doppelbesetzungen von Atomen in unterschiedlichen Bändern, die wir ohne Anzeichen von paarweisen Verlusten abbilden können. Somit erhalten wir die wahre Besetzungsstatistik an jedem Gitterplatz. Mithilfe dieser Besonderheit werten wir die lokale Besetzungsstatistik an einem Ensemble bandisolierenderWolken aus. Im Zentrum bei hoher Füllung sind die Atomzahlfluktuationen um eine Größenordnung unterdrückt, verglichen mit klassischen Gasen, eine Manifestation des Pauliverbots. Die Besetzungswahrscheinlichkeiten werden verwendet, um die lokale Entropie an jedem Gitterplatz zu messen. Eine niedrige Entropie pro Atom bis 0.34kB wird im Zentrum des Bandisolators gefunden. Die Erweiterung der Quantengasmikroskopie auf entartete Fermigase eröffnet neue Möglichkeiten der Quantensimulation stark korrelierter Vielteilchensysteme und kann einzigartige Erkenntnisse über fermionische Systeme im und außerhalb vom Gleichgewicht, Quantenmagnetismus und verschiedene Phasen des Fermi-Hubbard-Modells ergeben.

Abstract

This thesis reports on a novel quantum gas microscope to investigate many-body systems of fermionic atoms in optical lattices. Single-site resolved imaging of ultracold lattice gases has enabled powerful studies of bosonic quantum many-body systems. The extension of this capability to Fermi gases offers new prospects to studying complex phenomena of strongly correlated systems, for which numerical simulations are often out of reach. Using standard techniques of laser cooling, optical trapping, and evaporative cooling, ultracold Fermi gases of 6Li are prepared and loaded into a large-scale 2D optical lattice of flexible geometry. The atomic distribution is frozen using a second, short-scaled lattice, where we perform Raman sideband cooling to induce fluorescence on each atom while maintaining its position. Together with high-resolution imaging, the fluorescence signals allow for reconstructing the initial atom distribution with single-site sensitivity and high fidelity. Magnetically driven evaporative cooling in the plane allows for producing degenerate Fermi gases with almost unity filling in the initial lattice, allowing for the first microscopic studies of ultracold gases with clear signatures of Fermi statistics. By preparing an ensemble of spin-polarised Fermi gases, we detect a flattening of the density profile towards the centre of the cloud, which is a characteristic of a band-insulating state. In one set of experiments, we demonstrate that losses of atom pairs on a single lattice site due to light-assisted collisions are circumvented. The oversampling of the second lattice allows for deterministic separation of the atom pairs into different sites. Compressing a high-density sample in a trap before loading into the lattice leads to many double occupancies of atoms populating different bands, which we can image with no evidence for pairwise losses. We therefore gain direct access to the true number statistics on each lattice site. Using this feature, we can evaluate the local number statistics on an ensemble of band-insulating clouds. In the central region of high filling, the atom number fluctuations are suppressed by an order of magnitude compared to classical gases, which is a manifestation of Pauli blocking. Occupation probabilities are used to measure the local entropy on each individual site. The entropy per atom is found to be as low as 0.34kB in the band-insulating core. The extension of quantum gas microscopy to degenerate Fermi gases opens up new avenues in quantum simulation of strongly correlated many-body systems and can yield unprecedented insight into fermionic systems in and out of equilibrium, quantum magnetism and different phases of the Fermi-Hubbard model.