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Interorbital interactions in ytterbium-171
Interorbital interactions in ytterbium-171
This thesis reports on the comprehensive characterization of intra- and interorbital interactions in two-orbital ultracold quantum gases of fermionic Yb-171. Owing to their metastable excited electronic clock state in addition to the ground state, alkaline-earth(-like) (AEL) elements such as ytterbium or strontium are privileged platforms for state-of-the-art precision metrology and for the quantum simulation of two-orbital systems. The remarkably long lifetime of the clock state opens in particular the way for the study of many-body physics with an additional orbital degree of freedom, going beyond the celebrated Bose- and Fermi-Hubbard models accessible using alkali atoms. When studying many-body physics with these elements, interatomic interactions generally play a decisive role. We extensively characterize intra- and interorbital interactions in Yb-171 by directly probing the ultranarrow optical clock transition between the ground and clock states in a state-independent optical lattice. We precisely determine the fundamental scattering lengths associated with the two-particle interaction channels, finding values which notably imply antiferromagnetic spin-exchange interactions in interorbital pair states, as opposed to the situation in other AEL elements such as Yb-173 and Sr-87. The stability of these states in optical lattices is probed as well, finding very long lifetimes in both interorbital interaction channels. We furthermore observe an orbital Feshbach resonance (OFR) which has previously only been witnessed in Yb-173, enabling full control over interorbital interactions. The interorbital molecular dimer state associated with the OFR can be directly addressed on the clock transition and has a large binding energy exceeding typical scales in cold atomic ensembles, making it possibly useful for molecular clock experiments. As a first step in this direction, we demonstrate a first-order state-independent potential for the free-to-bound transition into the dimer. The results presented in this thesis strongly establish Yb-171 as an ideal platform for the quantum simulation of two-orbital Fermi-Hubbard models in both the antiferromagnetic spin-exchanging regime as well as the strongly-interacting regime. They also bring Yb-171 to light as a potentially interesting candidate for molecular optical clock applications., Diese Arbeit beschreibt die ausführliche Charakterisierung intra- und interorbitaler Wechselwirkungen in ultrakalten fermionischen Quantengasen von Yb-171 Atomen mit zwei elektronischen Orbitalen. Aufgrund ihres metastabilen angeregten elektronischen Uhrenzustandes zusätzlich zum Grundzustand sind erdalkaliartige Elemente wie Ytterbium oder Strontium privilegierte Plattformen für modernste Präzisionsmetrologie und für die Quantensimulation von Systemen mit zwei Orbitalen. Die außergewöhnlich lange Lebensdauer des Uhrenzustands ermöglicht insbesondere die Untersuchung von Quanten-Vielteilchensystemen mit einem zusätzlichen orbitalen Freiheitsgrad. Dies geht über die berühmten Bose- und Fermi-Hubbard-Modelle hinaus, die mit Alkaliatomen zugänglich sind. Bei der Untersuchung der Vielteilchenphysik mit diesen Elementen spielen die interatomaren Wechselwirkungen im Allgemeinen eine entscheidende Rolle. Wir charakterisieren die intra- und interorbitalen Wechselwirkungen in Yb-171 umfassend, indem wir den extrem schmalen optischen Uhrenübergang zwischen dem Grund- und dem Uhrenzustand in einem zustandsunabhängigen optischen Gitter direkt untersuchen. Wir bestimmen mit hoher Genauigkeit die fundamentalen Streulängen, die mit allen Streukanälen für beide Orbitale assoziiert sind und finden Werte, die im Gegensatz zur Situation in anderen erdalkaliartigen Elementen wie Yb-173 und Sr-87 antiferromagnetische Spinaustauschwechselwirkungen in interorbitalen Paarzuständen implizieren. Die Stabilität dieser Zustände in optischen Gittern wird ebenfalls untersucht, wobei sehr lange Lebensdauern in beiden interorbitalen Wechselwirkungskanälen gefunden werden. Darüber hinaus beobachten wir eine orbitale Feshbach-Resonanz (OFR), die bisher nur in Yb-173 beobachtet wurde und die vollständige Kontrolle über interorbitale Wechselwirkungen ermöglicht. Der interorbitale molekulare Dimer-Zustand, der mit der OFR assoziiert ist, kann direkt über dem Uhrenübergang erzeugt werden und hat eine große Bindungsenergie, die typische Skalen in kalten atomaren Ensembles übersteigt, was ihn für molekulare Uhrenexperimente nützlich machen könnte. Als ersten Schritt in diese Richtung erzeugen wir ein zustandsunabhängiges Potential in erster Ordnung für den Übergang zum Dimer. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse machen Yb-171 zu einer idealen Plattform für die Quantensimulation von Fermi-Hubbard-Modellen mit orbitalem Freiheitsgrad sowohl im antiferromagnetischen Spinaustausch-Regime als auch im stark wechselwirkenden Regime. Sie führen Yb-171 auch als potenziell interessanten Kandidaten für Anwendungen im Bereich der molekularen optischen Uhren ein.
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Bettermann, Oscar
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Bettermann, Oscar (2022): Interorbital interactions in ytterbium-171. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

This thesis reports on the comprehensive characterization of intra- and interorbital interactions in two-orbital ultracold quantum gases of fermionic Yb-171. Owing to their metastable excited electronic clock state in addition to the ground state, alkaline-earth(-like) (AEL) elements such as ytterbium or strontium are privileged platforms for state-of-the-art precision metrology and for the quantum simulation of two-orbital systems. The remarkably long lifetime of the clock state opens in particular the way for the study of many-body physics with an additional orbital degree of freedom, going beyond the celebrated Bose- and Fermi-Hubbard models accessible using alkali atoms. When studying many-body physics with these elements, interatomic interactions generally play a decisive role. We extensively characterize intra- and interorbital interactions in Yb-171 by directly probing the ultranarrow optical clock transition between the ground and clock states in a state-independent optical lattice. We precisely determine the fundamental scattering lengths associated with the two-particle interaction channels, finding values which notably imply antiferromagnetic spin-exchange interactions in interorbital pair states, as opposed to the situation in other AEL elements such as Yb-173 and Sr-87. The stability of these states in optical lattices is probed as well, finding very long lifetimes in both interorbital interaction channels. We furthermore observe an orbital Feshbach resonance (OFR) which has previously only been witnessed in Yb-173, enabling full control over interorbital interactions. The interorbital molecular dimer state associated with the OFR can be directly addressed on the clock transition and has a large binding energy exceeding typical scales in cold atomic ensembles, making it possibly useful for molecular clock experiments. As a first step in this direction, we demonstrate a first-order state-independent potential for the free-to-bound transition into the dimer. The results presented in this thesis strongly establish Yb-171 as an ideal platform for the quantum simulation of two-orbital Fermi-Hubbard models in both the antiferromagnetic spin-exchanging regime as well as the strongly-interacting regime. They also bring Yb-171 to light as a potentially interesting candidate for molecular optical clock applications.

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die ausführliche Charakterisierung intra- und interorbitaler Wechselwirkungen in ultrakalten fermionischen Quantengasen von Yb-171 Atomen mit zwei elektronischen Orbitalen. Aufgrund ihres metastabilen angeregten elektronischen Uhrenzustandes zusätzlich zum Grundzustand sind erdalkaliartige Elemente wie Ytterbium oder Strontium privilegierte Plattformen für modernste Präzisionsmetrologie und für die Quantensimulation von Systemen mit zwei Orbitalen. Die außergewöhnlich lange Lebensdauer des Uhrenzustands ermöglicht insbesondere die Untersuchung von Quanten-Vielteilchensystemen mit einem zusätzlichen orbitalen Freiheitsgrad. Dies geht über die berühmten Bose- und Fermi-Hubbard-Modelle hinaus, die mit Alkaliatomen zugänglich sind. Bei der Untersuchung der Vielteilchenphysik mit diesen Elementen spielen die interatomaren Wechselwirkungen im Allgemeinen eine entscheidende Rolle. Wir charakterisieren die intra- und interorbitalen Wechselwirkungen in Yb-171 umfassend, indem wir den extrem schmalen optischen Uhrenübergang zwischen dem Grund- und dem Uhrenzustand in einem zustandsunabhängigen optischen Gitter direkt untersuchen. Wir bestimmen mit hoher Genauigkeit die fundamentalen Streulängen, die mit allen Streukanälen für beide Orbitale assoziiert sind und finden Werte, die im Gegensatz zur Situation in anderen erdalkaliartigen Elementen wie Yb-173 und Sr-87 antiferromagnetische Spinaustauschwechselwirkungen in interorbitalen Paarzuständen implizieren. Die Stabilität dieser Zustände in optischen Gittern wird ebenfalls untersucht, wobei sehr lange Lebensdauern in beiden interorbitalen Wechselwirkungskanälen gefunden werden. Darüber hinaus beobachten wir eine orbitale Feshbach-Resonanz (OFR), die bisher nur in Yb-173 beobachtet wurde und die vollständige Kontrolle über interorbitale Wechselwirkungen ermöglicht. Der interorbitale molekulare Dimer-Zustand, der mit der OFR assoziiert ist, kann direkt über dem Uhrenübergang erzeugt werden und hat eine große Bindungsenergie, die typische Skalen in kalten atomaren Ensembles übersteigt, was ihn für molekulare Uhrenexperimente nützlich machen könnte. Als ersten Schritt in diese Richtung erzeugen wir ein zustandsunabhängiges Potential in erster Ordnung für den Übergang zum Dimer. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse machen Yb-171 zu einer idealen Plattform für die Quantensimulation von Fermi-Hubbard-Modellen mit orbitalem Freiheitsgrad sowohl im antiferromagnetischen Spinaustausch-Regime als auch im stark wechselwirkenden Regime. Sie führen Yb-171 auch als potenziell interessanten Kandidaten für Anwendungen im Bereich der molekularen optischen Uhren ein.