Spin and density resolved microscopy of Hubbard chains

Boll, Martin (2016): Spin and density resolved microscopy of Hubbard chains. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

This thesis reports on the microscopic investigation of antiferromagnetic order in Hubbard chains, realized with ultracold repulsively interacting fermions in an optical lattice. Extending a quantum gas microscope on spin resolution opened the possibility to Access the full charge and spin statistics of a strongly correlated fermionic many body system. Using this technique, we measured antiferromagnetic correlations over distances up to three lattice sites. Starting with a repulsive degenerate two component mixture of 6Li atoms trapped in a single plane of a vertical lattice, we loaded the Atoms into one-dimensional tubes of a transverse optical superlattice. By adiabatically ramping up the lattice potential along the tubes, we isentropically entered the strongly correlated regime of the one-dimensional Fermi-Hubbard Hamiltonian. We spatially separated the two spin states into opposite sites of local double wells orthogonal to the direction of the lattice before single atom and site sensitive imaging. In this way we extracted the spin information of every single lattice site and were able to evaluate spin-spin correlations. The two component degenerate gases were produced with sub-Poissonian atom number fluctuations by magnetically driven evaporative cooling in vicinity of a Feshbach resonance, used to set the scattering length. The dependence of antiferromagnetic correlations on the driving superexchange coupling was experimentally investigated by varying the interparticle scattering length before loading the atoms into the optical lattice. Taking advantage of the underlying trapping potential of the optical lattice, which shaped the filling and the entropy of the gases, the influence of density excitations and different entropies on spin correlations was observed. By post-selecting the Hubbard chains based on their average filling and local atom number fluctuations, spin correlations corresponding to 58% of the zero temperature predictions in the Heisenberg regime were measured. By comparing the obtained antiferromagnetic correlations to Quantum-Monte-Carlo predictions for our System the lowest measured entropy per particle could be stated as s = 0.51(4)kB, clearly below the critical value of s = ln(2)kB, which is required to form longer ranged correlations. Below this critical entropy, in contrast to local density fluctuations, these spin correlations strongly depend on the entropy of the system. In the future, such a spin thermometer can be used to benchmark novel cooling techniques, which are required to enter the temperature regime of d-wave superconducting states. The access to the full particle and spin statistics will enable us to read out multi-point correlation functions, which characterize such exotic states of matter.

Abstract

Diese Dissertation berichtet von der mikroskopischen Untersuchung antiferromagnetischer Ordnung in Hubbard Ketten, die mit ultrakalten, repulsiv wechselwirkenden Fermionen in optischen Gittern realisiert wurden. Durch die Erweiterung eines Quantengasmikroskops um Spin Auflösung,eröffnete sich die Möglichkeit, die komplette Dichte- und Spinstatistik eines stark korrelierten fermionischen Vielteilchensystems auszulesen. Durch Anwendung dieser Technik haben wir antiferromagnetische Korrelationen, die sich über drei Gitterplätze erstrecken,nachgewiesen. Angefangen mit einer entarteten zwei-komponentigen Mischung von Li-6 Atomen, die ineiner einzelnen Ebene eines vertikalen Gitters gefangen waren, laden wir die Atome in eindimensionale Subsysteme eines transversalen optischen Supergitters. Durch adiabatisches Anrampen des Gitterpotentials entlang des letzten verbliebenen Bewegungsfreiheitsgrades geht das System in das Regime des stark korrelierten ein-dimensionalen Fermi-Hubbard Hamiltonians über. Anschließend trennten wir die Atome unterschiedlichen Spins räumlich in entgegengesetzte Gitterplätze lokaler Doppelmulden senkrecht zur Gitterrichtung, bevor die Atome mit einzel-Atom und Gitterplatz sensitiv abgebildet wurden. Dadurch konnten wir den Spin jedes einzelnen Gitterplatzes auslesen und Spin-Spin Korrelatoren berechnen. Die zweikomponentigen entarteten Gase wurden mit sub-Poisson Atomzahlfluktuationen hergestellt, und zwar mithilfe von magnetisch unterstützter evaporativer Kühlung in Gegenwart einer Feshbach Resonanz, die benutzt wurde um die Streulänge einzustellen. Die Abhängigkeit der antiferromagnetischen Korrelationen von der Austauschwechselwirkung wurde experimentell untersucht indem die Streulänge zwischen den Atomen vor dem Laden in das optische Gitter eingestellt wurde. Das dem optischen Gitter zugrundeliegende Fallenpotential modellierte die Dichte- und Entropieverteilung, sodass der Einfluss von Dichteanregungen und verschiedenen Entropien auf Spin-Korrelationen gemessen werden konnten. Durch Selektion der Hubbard Ketten, basierend auf deren durchschnittlichen Besetzung und lokalen Atomzahlfluktuationen, konnten Spin Korrelationen, die 58% des vorrausgesagten Wertes im Rahmen des Heisenberg Modells bei T = 0 entsprechen, gemessen werden. Durch Vergleich der erhaltenen Korrelationen mit Quanten-Monte-Carlo Vorhersagen für unser System konnte die niedrigste Entropie pro Teilchen von s = 0.51(4)kB nachgewiesen werden, die damit deutlich unter der für länger-reichweitige Korrelationen notwendigen Entropie von s = ln(2)kB, liegt. Für Entropien unterhalb dieser kritischen Entropie hängen diese Spin Korrelationen stark von der Entropie des Systems ab, im Gegensatz zu lokalen Dichtefluktuationen. Daher könnte ein solches Spin-Thermometer in der Zukunft dazu genutzt werden, neuartige Kühlmethoden zu charakterisieren, welche nötig sind, um das Temperaturregime der d-Wellensupraleitung zu erreichen. Der Zugang zur kompletten Atomzahl- und Spinstatistik ermöglicht es uns Multipunkt-Korrelatoren zu berechnen, welche solche exotischen Materiezustände charakterisieren.

Abstract

Deutsche Übersetzung des Titels: Spin und Dichte aufgelöste Mikroskopie von Hubbard Ketten

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Ultracold quantum gases, Optical Lattices, Ultracold atoms, quantum magnetism, quantum simulation
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 22. November 2016
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel