A new Caesium quantum gas microscope with precise magnetic field control

Raven, Hendrik von (2022): A new Caesium quantum gas microscope with precise magnetic field control. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines neuen Experiments mit ultrakalten Quantengasen, sowie der aktuelle Stand der Experimente beschrieben. Das neu aufgebaute Experiment verwendet Cäsium aufgrund seiner günstigen atomaren Eigenschaften. Verschiedene Feshbach-Resonanzen bei niedrigen Magnetfeldern können genutzt werden, um die Streueigenschaften zu kontrollieren. Die große Feinstrukturaufspaltung ermöglicht die effiziente Umsetzung einer neuen Methode zur Erzeugung künstlicher Eichfelder unter Verwendung eines zustandsabhängigen Gitters. Ein integriertes Quantengasmikroskop ermöglicht die ortsaufgelöste Abbildung der erzeugten Systeme und kann zur lokalen Adressierung genutzt werden. Ein wesentliches Werkzeug für die geplante Methode zur Erzeugung künstlicher Eichfelder ist die präzise Kontrolle über die Magnetfelder und Gradienten. Mit Hilfe mehrerer Spulenpaare entlang aller drei Raumachsen können Magnetfelder bis zu 200 G und 100 G cm−1 in jeder möglichen Orientierung der Quantisierungsachse erzeugt werden. Eine aktive Magnetfeldstabilisierung wurde integriert, um Fluktuationen des Hintergrundmagnetfeldes in den horizontalen Achsen unabhängig vom erzeugten Experimentfeld zu unterdrücken. Das System wurde mittels Mikrowellenspektroskopie charakterisiert, wobei absolute Stabilitäten von 110 µG nachgewiesen werden konnten. Eine speziell entwickelte Anordnung um die Glaszelle herum kombiniert hochauflösende Bildgebung und Magnetfeldkontrolle in einem kompakten Design und bietet gleichzeitig maximalen optischen Zugang. Nach einer ersten Kühlungsphase werden die Atome optisch in die Glaszelle transportiert, wo sie weiter abgekühlt werden, bis sie quantenentartet sind. Das erzeugte Bose-Einstein-Kondensat (BEC) wird mit Hilfe eines vertikalen Gitters mit großen Abständen zu einem zweidimensionalen System komprimiert und in ein quadratisches optisches Gitter geladen. Mott-Isolator (MI) Zustände mit homogener Dichte werden als Ausgangspunkt für zukünftige Experimente erzeugt. Zusätzliche Gitterstrahlen mit doppelter Periodizität auf jeder Achse schaffen ein Supergitter und erweitern die Möglichkeiten der Zustandsvorbereitung und Messung. Das in dieser Arbeit beschriebene Experiment wird die Untersuchung von topologischen Vielteilchenzuständen ermöglichen.

Abstract

In this work the construction of a new ultracold quantum gas experiment and the current status of experiments is described. The newly constructed experiment uses Caesium due to its favourable atomic properties. Various Feshbach resonances at low magnetic fields can be used to control the scattering properties. The large fine-structure splitting will allow for the efficient implementation of a new method to create artificial gauge fields using a state-dependent lattice. An integrated quantum gas microscope allows site-resolved imaging of the created systems and can be used for local addressing. An essential tool for the planned method to create artificial gauge fields is the precise control over the magnetic fields and gradients. Using multiple coil pairs along all three axes magnetic fields up to 200 G and 100 G cm−1 can be generated in any possible orientation of the quantisation axis. An active stabilisation system was integrated to suppress fluctuations of the background magnetic field in the horizontal axes independent of the applied experiment fields. The system was characterised using microwave spectroscopy, demonstrating absolute stabilities of 110 µG root-mean-square (rms). A specially designed assembly around the glass cell combines high-resolution imaging and magnetic field control in a compact design, while providing maximal optical access. After a pre-cooling stage the atoms are transported optically into the science chamber, where they are cooled further until they become quantum degenerate. The generated Bose-Einstein condensate (BEC) is compressed into a 2d system using a large-spacing vertical lattice and loaded into an optical square lattice. Mott-insulator (MI) states with homogeneous density are created as starting point for future experiments. Additional lattice beams with twice the periodicity at each axis create a super-lattice, extending the capabilities for state preparation and read-out. The experiment described in this thesis will allow for the study of topological many-body phases.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 27. September 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel