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A two-orbital quantum gas with tunable interactions
A two-orbital quantum gas with tunable interactions
Im letzten Jahrzehnt haben sich Quantengasexperimente als gut kontrollierbare Modellsysteme zur Untersuchung komplexer Fragestellungen aus diversen Bereichen der Physik etabliert. Ultrakalte Quantengase zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie einen direkten und experimentell einfach realisierbaren Zugang zu ihrerWechselwirkung bieten. Das gezielte Einstellen der Wechselwirkungsstärke und die Erforschung der daraus resultierenden Aggregatzustände erlaubt es ein tiefes Verständnis der kondensierten Materie zu gewinnen. Insbesondere erdalkaliähnliche Atome wie Ytterbium bieten die Möglichkeit Phänomene der Festkörperphysik zu untersuchen, die durch die Wechselwirkung von Elektronen in verschiedenen Orbitalen oder durch eine größere Rotationssymmetrie des Spins als in gewöhnlichen Spin-1/2 Systemen hervorgerufen werden. Diese Doktorarbeit präsentiert die experimentelle Charakterisierung der Wechselwirkung ultrakalter, fermionischer Ytterbium-Atome (173Yb) in verschiedenen elektronischen Orbitalen. Dabei wird nachgewiesen, dass sich die Wechselwirkungsstärke mit Hilfe eines externen Magnetfeldes, analog zu einer Feshbach-Resonanz bei Alkali-Atomen, einstellen lässt. Bei Ytterbium wird diese Resonanz durch eine starke Spinaustauschwechselwirkung zwischen den verschiedenen Orbitalen hervorgerufen. Der Nachweis der einstellbaren Wechselwirkung erfolgt über Thermalisierungsexperimente in einer harmonischen Falle und mit Hilfe von hochauflösender Spektroskopie in einem dreidimensionalen Gitter. Des Weiteren wird mit Hilfe der neu entdeckten Resonanz zum ersten Mal experimentell ein stark wechselwirkendes Fermigas in verschiedenen Orbitalen erzeugt und spektroskopisch untersucht. Die Möglichkeit, die interorbitale Wechselwirkung direkt zu manipulieren und somit stark wechselwirkende Quantengase zu erzeugen, ebnet den Weg für die Realisierung und Untersuchung neuartiger Aggregatzustände der kondensierten Materie., In the last decade, quantum gas experiments have been established as well-controllable model systems for the investigation of complex problems originating from different fields of physics. Ultracold quantum gases are of particular interest, as they offer a direct and experimentally feasible access to their interaction. The precise control of the interaction and the exploration of resulting phases of matter grants a profound understanding of condensed matter. In particular, alkaline-earth-like atoms, such as ytterbium, allow for an implementation of condensed matter phenomena, arising from the interaction of electrons in different orbitals or exhibiting an enhanced spin rotation symmetry beyond the conventional spin-1/2 case. This thesis is dedicated to the experimental characterisation of the interaction of ultracold fermionic ytterbium atoms (\YbA) in different electronic orbitals. In the course of this thesis, we reveal the tunability of the interaction by means of an external magnetic field, similar to the case of Feshbach resonances in alkali atoms. For ytterbium, the scattering resonance is induced by the strong spin-exchange interaction between the different orbitals. Experimentally, the tunability of the interaction is demonstrated by a thermalisation experiment in a harmonic trap, as well as high-resolution spectroscopy in a three-dimensional lattice. For the first time, by means of an orbital interaction-induced Feshbach resonance, a strongly interacting two-orbital quantum gas is created and spectroscopically characterised. Controlling the interorbital interaction strength and creating strongly interacting two-orbital quantum gases paves the way towards the implementation of new states of condensed matter.
Not available
Höfer, Moritz
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Höfer, Moritz (2017): A two-orbital quantum gas with tunable interactions. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Im letzten Jahrzehnt haben sich Quantengasexperimente als gut kontrollierbare Modellsysteme zur Untersuchung komplexer Fragestellungen aus diversen Bereichen der Physik etabliert. Ultrakalte Quantengase zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie einen direkten und experimentell einfach realisierbaren Zugang zu ihrerWechselwirkung bieten. Das gezielte Einstellen der Wechselwirkungsstärke und die Erforschung der daraus resultierenden Aggregatzustände erlaubt es ein tiefes Verständnis der kondensierten Materie zu gewinnen. Insbesondere erdalkaliähnliche Atome wie Ytterbium bieten die Möglichkeit Phänomene der Festkörperphysik zu untersuchen, die durch die Wechselwirkung von Elektronen in verschiedenen Orbitalen oder durch eine größere Rotationssymmetrie des Spins als in gewöhnlichen Spin-1/2 Systemen hervorgerufen werden. Diese Doktorarbeit präsentiert die experimentelle Charakterisierung der Wechselwirkung ultrakalter, fermionischer Ytterbium-Atome (173Yb) in verschiedenen elektronischen Orbitalen. Dabei wird nachgewiesen, dass sich die Wechselwirkungsstärke mit Hilfe eines externen Magnetfeldes, analog zu einer Feshbach-Resonanz bei Alkali-Atomen, einstellen lässt. Bei Ytterbium wird diese Resonanz durch eine starke Spinaustauschwechselwirkung zwischen den verschiedenen Orbitalen hervorgerufen. Der Nachweis der einstellbaren Wechselwirkung erfolgt über Thermalisierungsexperimente in einer harmonischen Falle und mit Hilfe von hochauflösender Spektroskopie in einem dreidimensionalen Gitter. Des Weiteren wird mit Hilfe der neu entdeckten Resonanz zum ersten Mal experimentell ein stark wechselwirkendes Fermigas in verschiedenen Orbitalen erzeugt und spektroskopisch untersucht. Die Möglichkeit, die interorbitale Wechselwirkung direkt zu manipulieren und somit stark wechselwirkende Quantengase zu erzeugen, ebnet den Weg für die Realisierung und Untersuchung neuartiger Aggregatzustände der kondensierten Materie.

Abstract

In the last decade, quantum gas experiments have been established as well-controllable model systems for the investigation of complex problems originating from different fields of physics. Ultracold quantum gases are of particular interest, as they offer a direct and experimentally feasible access to their interaction. The precise control of the interaction and the exploration of resulting phases of matter grants a profound understanding of condensed matter. In particular, alkaline-earth-like atoms, such as ytterbium, allow for an implementation of condensed matter phenomena, arising from the interaction of electrons in different orbitals or exhibiting an enhanced spin rotation symmetry beyond the conventional spin-1/2 case. This thesis is dedicated to the experimental characterisation of the interaction of ultracold fermionic ytterbium atoms (\YbA) in different electronic orbitals. In the course of this thesis, we reveal the tunability of the interaction by means of an external magnetic field, similar to the case of Feshbach resonances in alkali atoms. For ytterbium, the scattering resonance is induced by the strong spin-exchange interaction between the different orbitals. Experimentally, the tunability of the interaction is demonstrated by a thermalisation experiment in a harmonic trap, as well as high-resolution spectroscopy in a three-dimensional lattice. For the first time, by means of an orbital interaction-induced Feshbach resonance, a strongly interacting two-orbital quantum gas is created and spectroscopically characterised. Controlling the interorbital interaction strength and creating strongly interacting two-orbital quantum gases paves the way towards the implementation of new states of condensed matter.