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Construction of a caesium quantum gas microscope
Construction of a caesium quantum gas microscope
In dieser Arbeit beschreibe ich den Aufbau eines neues Quantengasmikroskops. Das Ziel des Experiments ist die Simulation von topologischen Vielteilchensystemen in optischen Gittern. Als Atomspezies wurde aufgrund einer leicht zugänglichen Feshbach Resonanz bei niedrigem magnetischem Feld und seiner großen Feinstrukturaufspaltung Cäsium gewählt. Die Feshbach Resonanz erlaubt die Änderung der Wechselwirkung zwischen den Atomen. Die große Feinstrukturaufspaltung ermöglicht es die Atome in ein anti-magisches Gitter zu laden ohne in der experimentellen Versuchsdauer durch die Photonstreurate limitiert zu sein. Durch Ramanübergänge zwischen unterschiedlichen Hyperfeinzuständen von Cäsium kann dann ein künstliches Magnetfeld simuliert werden, eine essenzielle Methode für die Realisierung von Chernisolatoren. Die hohe numerische Apertur die für ein Quantengasmikroskop benötigt wird beschränkt den optischen Zugang zu den Atomen. Dies erschwert den Aufbau der optischen Laserstrahlen zum Kühlen und Manipulieren der Atome. Wir verwenden optischen Transport mithilfe eines laufenden optischen Gitters um die Atome nach einer Vorkühlphase in einen anderen Teil der Vakuumkammer, einer Glaszelle, zu schieben. Dies erlaubt es, die Laserstrahlen die fürs Vorkühlen benötigt werden unabhängig vom Mikroskopobjektiv auf die Atome auszurichten. Das Transportgitter wird durch die Interferenz zwischen einem Gauß-förmigen Laserstrahl und einem Bessel-förmigen Laserstrahl erzeugt. Der Besselstrahl, ein nahezu beugungsfreier Laserstrahl, erlaubt es die Atome über eine \SI{43}{cm} lange Transportdistanz gegen Gravitation zu halten. Wir transportieren \SI{3e6}{Atome} von der MOT Kammer in die Glasszelle in weniger als \SI{26}{ms}, ohne dabei die Temperatur zu erhöhen. Die Transporteffizienz ist etwa 75\% und durch Gravitation und Atomverluste am Anfang des Transports limitiert. Sobald die Atome in der Glaszelle ankommen, werden sie in eine gekreuzte Dipolfalle umgeladen. Wir evaporieren indem die Fallentiefe reduziert und die Falle gekippt wird. Nach der Kondensation wird das BEC in eine einzelne Ebene eines vertikalen Gitters und darauf folgend in ein horizontales Gitter geladen. Um die Atome durch das Mikroskopobjektiv abzubilden wird Fluoreszenzlicht verwendet. Während der Fluoreszenzabbildung werden die Atome durch optische Molasse gekühlt und die optischen Gitter auf etwa 120\,µK vertieft damit die Atome in 1\,s um die 25.000 Fluoreszenzphotonen streuen können ohne im Gitter zu tunneln. Der in dieser Arbeit beschriebene experimentelle Aufbau wird es uns ermöglichen den Einfluss von Wechselwirkungen auf topologische Phasen mit Einteilchenauflösung zu untersuchen. Dies erlaubt es, Annahmen über die mikroskopische Dynamik in diesen Phasen zu testen und unser Verständnis zu vertiefen., In this work I describe the setup of a new quantum gas microscope. The goal of the experiment is the simulation of topological many-body systems in lattices. Caesium was picked as atomic species, because of its easily accessible Feshbach resonance at low magnetic fields and its large fine-structure splitting. The Feshbach resonance allows changing the interaction between atoms. The large fine-structure splitting enables loading the atoms into an anti-magic lattice without limiting the experiment duration via scattering of lattice photons. Using Raman transitions between different hyperfine states of caesium, an artificial magnetic field can be simulated, an essential method for the realization of Chern insulators. The high numerical aperture necessary for a quantum gas microscope limits the optical access to the atoms. This complicates the setup of the optical laser beams for cooling and manipulating the atoms. We use optical transport based on a running wave optical lattice to transfer the atoms after pre-cooling into a different section of the vacuum system, a glass cell. This allows alignment of the pre-cooling laser beams independent of the microscope objective. The transport lattice is created via interference between a Gaussian laser beam and a Bessel beam. The Bessel beam, a diffractionless laser beam, enables us to hold the atoms against gravity over the transport distance of \SI{43}{cm}. We transport \SI{3e6}{atoms} from the MOT chamber to the glass cell in less than \SI{26}{ms} without any temperature increase. The transport efficiency is around 75\%, limited by gravity and loss at the start of transport. After the atoms have arrived in the glass cell they are transferred into a crossed dipole trap. We evaporate the atoms by reducing the trap depth and tilting the trap. After condensation we trap the BEC in a single plane of a vertical lattice. The BEC is subsequently loaded into a 2D horizontal lattice. Fluorescence light is used to image the atoms through the microscope objective. During fluorescence imaging, the atoms are cooled using an optical molasses and the optical lattice depth is increased to around 120\,µK to allow the atoms to scatter up to 25.000 fluorescence photons in 1\,s without tunneling in the lattice. The experimental setup detailed in this thesis will allow us to study the effects of interactions on topological phases of matter with single particle resolution. This paves the way to testing our assumptions and extending understanding of the microscopic dynamics in these phases.
Not available
Klostermann, Till Mitja
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Klostermann, Till Mitja (2022): Construction of a caesium quantum gas microscope. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

In dieser Arbeit beschreibe ich den Aufbau eines neues Quantengasmikroskops. Das Ziel des Experiments ist die Simulation von topologischen Vielteilchensystemen in optischen Gittern. Als Atomspezies wurde aufgrund einer leicht zugänglichen Feshbach Resonanz bei niedrigem magnetischem Feld und seiner großen Feinstrukturaufspaltung Cäsium gewählt. Die Feshbach Resonanz erlaubt die Änderung der Wechselwirkung zwischen den Atomen. Die große Feinstrukturaufspaltung ermöglicht es die Atome in ein anti-magisches Gitter zu laden ohne in der experimentellen Versuchsdauer durch die Photonstreurate limitiert zu sein. Durch Ramanübergänge zwischen unterschiedlichen Hyperfeinzuständen von Cäsium kann dann ein künstliches Magnetfeld simuliert werden, eine essenzielle Methode für die Realisierung von Chernisolatoren. Die hohe numerische Apertur die für ein Quantengasmikroskop benötigt wird beschränkt den optischen Zugang zu den Atomen. Dies erschwert den Aufbau der optischen Laserstrahlen zum Kühlen und Manipulieren der Atome. Wir verwenden optischen Transport mithilfe eines laufenden optischen Gitters um die Atome nach einer Vorkühlphase in einen anderen Teil der Vakuumkammer, einer Glaszelle, zu schieben. Dies erlaubt es, die Laserstrahlen die fürs Vorkühlen benötigt werden unabhängig vom Mikroskopobjektiv auf die Atome auszurichten. Das Transportgitter wird durch die Interferenz zwischen einem Gauß-förmigen Laserstrahl und einem Bessel-förmigen Laserstrahl erzeugt. Der Besselstrahl, ein nahezu beugungsfreier Laserstrahl, erlaubt es die Atome über eine \SI{43}{cm} lange Transportdistanz gegen Gravitation zu halten. Wir transportieren \SI{3e6}{Atome} von der MOT Kammer in die Glasszelle in weniger als \SI{26}{ms}, ohne dabei die Temperatur zu erhöhen. Die Transporteffizienz ist etwa 75\% und durch Gravitation und Atomverluste am Anfang des Transports limitiert. Sobald die Atome in der Glaszelle ankommen, werden sie in eine gekreuzte Dipolfalle umgeladen. Wir evaporieren indem die Fallentiefe reduziert und die Falle gekippt wird. Nach der Kondensation wird das BEC in eine einzelne Ebene eines vertikalen Gitters und darauf folgend in ein horizontales Gitter geladen. Um die Atome durch das Mikroskopobjektiv abzubilden wird Fluoreszenzlicht verwendet. Während der Fluoreszenzabbildung werden die Atome durch optische Molasse gekühlt und die optischen Gitter auf etwa 120\,µK vertieft damit die Atome in 1\,s um die 25.000 Fluoreszenzphotonen streuen können ohne im Gitter zu tunneln. Der in dieser Arbeit beschriebene experimentelle Aufbau wird es uns ermöglichen den Einfluss von Wechselwirkungen auf topologische Phasen mit Einteilchenauflösung zu untersuchen. Dies erlaubt es, Annahmen über die mikroskopische Dynamik in diesen Phasen zu testen und unser Verständnis zu vertiefen.

Abstract

In this work I describe the setup of a new quantum gas microscope. The goal of the experiment is the simulation of topological many-body systems in lattices. Caesium was picked as atomic species, because of its easily accessible Feshbach resonance at low magnetic fields and its large fine-structure splitting. The Feshbach resonance allows changing the interaction between atoms. The large fine-structure splitting enables loading the atoms into an anti-magic lattice without limiting the experiment duration via scattering of lattice photons. Using Raman transitions between different hyperfine states of caesium, an artificial magnetic field can be simulated, an essential method for the realization of Chern insulators. The high numerical aperture necessary for a quantum gas microscope limits the optical access to the atoms. This complicates the setup of the optical laser beams for cooling and manipulating the atoms. We use optical transport based on a running wave optical lattice to transfer the atoms after pre-cooling into a different section of the vacuum system, a glass cell. This allows alignment of the pre-cooling laser beams independent of the microscope objective. The transport lattice is created via interference between a Gaussian laser beam and a Bessel beam. The Bessel beam, a diffractionless laser beam, enables us to hold the atoms against gravity over the transport distance of \SI{43}{cm}. We transport \SI{3e6}{atoms} from the MOT chamber to the glass cell in less than \SI{26}{ms} without any temperature increase. The transport efficiency is around 75\%, limited by gravity and loss at the start of transport. After the atoms have arrived in the glass cell they are transferred into a crossed dipole trap. We evaporate the atoms by reducing the trap depth and tilting the trap. After condensation we trap the BEC in a single plane of a vertical lattice. The BEC is subsequently loaded into a 2D horizontal lattice. Fluorescence light is used to image the atoms through the microscope objective. During fluorescence imaging, the atoms are cooled using an optical molasses and the optical lattice depth is increased to around 120\,µK to allow the atoms to scatter up to 25.000 fluorescence photons in 1\,s without tunneling in the lattice. The experimental setup detailed in this thesis will allow us to study the effects of interactions on topological phases of matter with single particle resolution. This paves the way to testing our assumptions and extending understanding of the microscopic dynamics in these phases.