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Ultracold strontium in state-dependent optical lattices
Ultracold strontium in state-dependent optical lattices
Innerhalb der letzten zwanzig Jahre haben sich ultrakalte Quantengase mit Alkalimetallatomen in optischen Gittern als effektives Werkzeug zur Simulation von Quantenvielteilchenmodellen erwiesen. Eine der wichtigsten technischen Errungenschaften in diesen Quantensimulationsexperimenten war die Entwicklung des Quantengasmikroskops, welches mit der Auflösung und Ansteuerung einzelner Atome in optischen Gittern einen wichtigen Schritt in Richtung absoluter Kontrolle aller internen und externen Freiheitsgrade einzelner neutraler Atome ermöglichte. Im Gegensatz zu Alkalimetallen haben Erdalkalimetallatome eine energetische Struktur, welche einen Reichtum an Wellenlängen für zustandsabhängige optische Fallen bietet. Ein Beispiel dafür sind “Tune-out Wellenlängen”, bei denen die Polarisierbarkeit und somit das Fallenpotential eines Zustands verschwindet. Diese Wellenlängen ermöglichen neuartige Quantensimulationen. Um Quantensimulationen mit zustandsabhängigen Fallen zu ermöglichen, bauen wir das erste Strontium Quantengasmikroskop der Welt. In dieser Arbeit zeigen wir dessen Design und Bauprozess von Grund auf und beschreiben technische Errungenschaften und Erweiterungen. Momentan sind wir in der Lage Temperaturen von ~1 μK mit ⁸⁸Sr und ⁸⁷Sr Atomen mittels Laserkühlung zu erreichen. Desweiteren, entwickelten wir eine neue Methode zur Messung von Tune-out Wellenlängen. Unsere Messung der Tune-out Wellenlänge des ¹S₀ Grundzustands ist unserem Wissen nach die genaueste bisher, wenn wir die geringe Sensitivität der Polarisierbarkeit mit der optischen Frequenz mit einbeziehen. Wir erreichen eine Unterdrückung des Grundzustandsgitters von fast fünf Größenordnungen gegenüber dem Gitter des angeregten Zustands. Mit spektroskopischen Messmethoden konnten wir die Polarisierbarkeit des ³P₀ Zustands extrahieren und aus unseren Messungen die ¹P₁ und ³S₁ Lebensdauern neu bestimmen. In einem weiteren Experiment demonstrierten wir ³P₀ Atome, gefangen in einem optischen Gitter bei der Tune-out Wellenlänge. Optische Gitterpotentiale unterliegen durch Laserleistung limitierten, harmonisch-geformten Potentialhüllen, welche die Systemgröße in Quantensimulationsexperimenten bestimmen. Diese “harmonische Einschränkung” beeinflusst sämtliche Tunnel- und Wechselwirkungsparameter im gesamten Gitter und führt zu anderen ungewollten, durch die Systemgröße bedingten, Effekten. Viele Quantensimulationsexperimente würden daher von größeren Systemen profitieren, weil entsprechende theoretische Modelle typischerweise unendlich große, flache Systeme voraussetzen. Um die optische Leistung zur Erzeugung von optischen Gittern zu erhöhen, entwickelten wir einen vakuumkompatiblen, monolithischen Überhöhungsresonator mit gekreuzten Resonatormoden mit 1/e^2 Strahlradien von ~400 μm, welche Systemgrößen von ~200×200 Gitterplätzen erwarten lassen. Wir berichten über dessen Design, Bauprozess, Charakterisierung und Implementierung. Der Resonator kann die optische Leistung bei sechs verschiedenen Wellenlängen, innerhalb des sichtbaren bis infraroten Bereich des Spektrums, bis zu einem Faktor ~1000 überhöhen und ermöglicht so tiefe und stabile Gitter bei Wellenlängen, bei denen keine hohen Laserleistungen verfügbar sind., Within the last two decades, ultracold quantum gases of alkali metal atoms in optical lattices have proven to be a rich toolbox to simulate quantum many-body physics models. One of the crucial technical advances of these quantum simulation experiments was the development of quantum gas microscopes, which initiated a large step towards full control over the internal and external degrees of freedom of single neutral atoms in optical lattices. In contrast to alkali metal atoms, alkaline-earth metal atoms offer a richer energy level structure, which feature a variety of wavelengths for state-dependent optical traps. One example are the so-called “tune-out wavelengths”, at which the polarizability and thus the trap potential of one state vanishes. Novel quantum simulation and quantum computation schemes with strontium are based on the implementation of these tune-out wavelengths. To realize quantum simulations with state-dependent lattices, we are building the world’s first strontium quantum gas microscope. In this thesis we show its design and assembly from the ground up and describe technical advances we made. At this point, we are able to lasercool ⁸⁸Sr and ⁸⁷Sr atoms to a temperature of ~1 μK. Furthermore, we developed a novel technique to measure tune-out wavelengths. To our knowledge, our measurement of the ¹S₀ ground state tune-out wavelength is the most precise measurement to date, if we take into account the small sensitivity to a change in optical frequency. We reach a suppression of the ground state lattice potential with respect to the excited state by almost five orders of magnitude. Moreover, we performed spectroscopic measurements at this tune-out wavelength to extract the polarizability of the ³P₀ state. Both results gave rise to a reevaluation of the atomic lifetimes of the ¹P₁ and ³S₁ states. Besides, proof-of-principle trapping of ³P₀ atoms in a tune-out wavelength lattice has been demonstrated. Optical lattice potentials to trap ultracold quantum gases underlie laser-power-limited harmonically-shaped envelopes which set the system size in quantum simulation experiments. This so-called “harmonic confinement” influences tunneling and interaction parameters, leads to inhomogeneities across the system, and to unwanted finite system size effects. Most quantum simulation experiments would greatly benefit from more homogeneous and larger systems, as the corresponding models typically assume flat and infinitely large systems. To enhance the optical power used to generate optical lattices, we have built an in-vacuum monolithic buildup cavity with crossed, large cavity modes with 1/e^2 beam radii of ~400 μm giving rise to expected system sizes of ~200×200 lattice sites. We show the design, assembly, characterization, and implementation of this buildup cavity. With it, we can enhance the optical power at six different wavelengths in the visible to infrared spectrum by factors up to ~1000 to enable working at wavelength at which no suitable high-power lasers are available.
strontium, quantum gas microscope, state-dependent wavelength, tune-out wavelength, optical lattices, optical resonator, optical cavity, buildup cavity, crossed cavities
Heinz, André
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Heinz, André (2020): Ultracold strontium in state-dependent optical lattices. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Heinz_Andre.pdf

19MB

Abstract

Innerhalb der letzten zwanzig Jahre haben sich ultrakalte Quantengase mit Alkalimetallatomen in optischen Gittern als effektives Werkzeug zur Simulation von Quantenvielteilchenmodellen erwiesen. Eine der wichtigsten technischen Errungenschaften in diesen Quantensimulationsexperimenten war die Entwicklung des Quantengasmikroskops, welches mit der Auflösung und Ansteuerung einzelner Atome in optischen Gittern einen wichtigen Schritt in Richtung absoluter Kontrolle aller internen und externen Freiheitsgrade einzelner neutraler Atome ermöglichte. Im Gegensatz zu Alkalimetallen haben Erdalkalimetallatome eine energetische Struktur, welche einen Reichtum an Wellenlängen für zustandsabhängige optische Fallen bietet. Ein Beispiel dafür sind “Tune-out Wellenlängen”, bei denen die Polarisierbarkeit und somit das Fallenpotential eines Zustands verschwindet. Diese Wellenlängen ermöglichen neuartige Quantensimulationen. Um Quantensimulationen mit zustandsabhängigen Fallen zu ermöglichen, bauen wir das erste Strontium Quantengasmikroskop der Welt. In dieser Arbeit zeigen wir dessen Design und Bauprozess von Grund auf und beschreiben technische Errungenschaften und Erweiterungen. Momentan sind wir in der Lage Temperaturen von ~1 μK mit ⁸⁸Sr und ⁸⁷Sr Atomen mittels Laserkühlung zu erreichen. Desweiteren, entwickelten wir eine neue Methode zur Messung von Tune-out Wellenlängen. Unsere Messung der Tune-out Wellenlänge des ¹S₀ Grundzustands ist unserem Wissen nach die genaueste bisher, wenn wir die geringe Sensitivität der Polarisierbarkeit mit der optischen Frequenz mit einbeziehen. Wir erreichen eine Unterdrückung des Grundzustandsgitters von fast fünf Größenordnungen gegenüber dem Gitter des angeregten Zustands. Mit spektroskopischen Messmethoden konnten wir die Polarisierbarkeit des ³P₀ Zustands extrahieren und aus unseren Messungen die ¹P₁ und ³S₁ Lebensdauern neu bestimmen. In einem weiteren Experiment demonstrierten wir ³P₀ Atome, gefangen in einem optischen Gitter bei der Tune-out Wellenlänge. Optische Gitterpotentiale unterliegen durch Laserleistung limitierten, harmonisch-geformten Potentialhüllen, welche die Systemgröße in Quantensimulationsexperimenten bestimmen. Diese “harmonische Einschränkung” beeinflusst sämtliche Tunnel- und Wechselwirkungsparameter im gesamten Gitter und führt zu anderen ungewollten, durch die Systemgröße bedingten, Effekten. Viele Quantensimulationsexperimente würden daher von größeren Systemen profitieren, weil entsprechende theoretische Modelle typischerweise unendlich große, flache Systeme voraussetzen. Um die optische Leistung zur Erzeugung von optischen Gittern zu erhöhen, entwickelten wir einen vakuumkompatiblen, monolithischen Überhöhungsresonator mit gekreuzten Resonatormoden mit 1/e^2 Strahlradien von ~400 μm, welche Systemgrößen von ~200×200 Gitterplätzen erwarten lassen. Wir berichten über dessen Design, Bauprozess, Charakterisierung und Implementierung. Der Resonator kann die optische Leistung bei sechs verschiedenen Wellenlängen, innerhalb des sichtbaren bis infraroten Bereich des Spektrums, bis zu einem Faktor ~1000 überhöhen und ermöglicht so tiefe und stabile Gitter bei Wellenlängen, bei denen keine hohen Laserleistungen verfügbar sind.

Abstract

Within the last two decades, ultracold quantum gases of alkali metal atoms in optical lattices have proven to be a rich toolbox to simulate quantum many-body physics models. One of the crucial technical advances of these quantum simulation experiments was the development of quantum gas microscopes, which initiated a large step towards full control over the internal and external degrees of freedom of single neutral atoms in optical lattices. In contrast to alkali metal atoms, alkaline-earth metal atoms offer a richer energy level structure, which feature a variety of wavelengths for state-dependent optical traps. One example are the so-called “tune-out wavelengths”, at which the polarizability and thus the trap potential of one state vanishes. Novel quantum simulation and quantum computation schemes with strontium are based on the implementation of these tune-out wavelengths. To realize quantum simulations with state-dependent lattices, we are building the world’s first strontium quantum gas microscope. In this thesis we show its design and assembly from the ground up and describe technical advances we made. At this point, we are able to lasercool ⁸⁸Sr and ⁸⁷Sr atoms to a temperature of ~1 μK. Furthermore, we developed a novel technique to measure tune-out wavelengths. To our knowledge, our measurement of the ¹S₀ ground state tune-out wavelength is the most precise measurement to date, if we take into account the small sensitivity to a change in optical frequency. We reach a suppression of the ground state lattice potential with respect to the excited state by almost five orders of magnitude. Moreover, we performed spectroscopic measurements at this tune-out wavelength to extract the polarizability of the ³P₀ state. Both results gave rise to a reevaluation of the atomic lifetimes of the ¹P₁ and ³S₁ states. Besides, proof-of-principle trapping of ³P₀ atoms in a tune-out wavelength lattice has been demonstrated. Optical lattice potentials to trap ultracold quantum gases underlie laser-power-limited harmonically-shaped envelopes which set the system size in quantum simulation experiments. This so-called “harmonic confinement” influences tunneling and interaction parameters, leads to inhomogeneities across the system, and to unwanted finite system size effects. Most quantum simulation experiments would greatly benefit from more homogeneous and larger systems, as the corresponding models typically assume flat and infinitely large systems. To enhance the optical power used to generate optical lattices, we have built an in-vacuum monolithic buildup cavity with crossed, large cavity modes with 1/e^2 beam radii of ~400 μm giving rise to expected system sizes of ~200×200 lattice sites. We show the design, assembly, characterization, and implementation of this buildup cavity. With it, we can enhance the optical power at six different wavelengths in the visible to infrared spectrum by factors up to ~1000 to enable working at wavelength at which no suitable high-power lasers are available.