State-dependent potentials and clock ground-state cooling in an ytterbium quantum simulator

Höhn, Tim Oliver (2024): State-dependent potentials and clock ground-state cooling in an ytterbium quantum simulator. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines neuartigen experimentellen Systems beschrieben, das aus einer Kombination von dreidimensionalen optischen Gittern und optischen Pinzetten besteht und mithilfe dessen Quantensimulationsexperimente mit ultrakalten Ytterbium-Atomen in zustandsabhängigen Potentialen ermöglicht werden. Dabei stellt diese Arbeit die erste Beschreibung einer erfolgreichen Realisierung von Seitenbandkühlprozessen mithilfe des ultraschmalen Uhrenübergangs in bosonischen, spinlosen Elementen dar, die uns ermöglichen, gefangene Atome in einem ein- oder zweidimensionalen optischen Gitter bis auf den axialen Grundzustand herabzukühlen, und die auch das Erreichen des absolut niedrigsten Quantenzustands in allen drei Raumdimensionen möglich machen sollte. Zudem werden seitenbandunaufgelöste Molasse-Kühltechniken geschildert, die es uns erlauben, Fluoreszenzabbildungen von Atomen in optischen Pinzetten sowie Gittern bei jeweils unterschiedlichen Wellenlängen mit langen Belichtungszeiten vorzunehmen. Hierbei ist das Einhalten von quasi-magischen Bedingungen entscheidend, um vergleichbare Fallentiefen für Atome im Grund- und angeregten Zustand unabhängig von der Position in der Falle oder der Intensität des Fallenlichts zu erreichen. Dies wird bei dem Molasse-Kühlen durch eine Verkippung der Magnetfeldrichtung, die die Quantisierungsachse festlegt, zu einem erstmals bestimmten magischen Winkel verwirklicht. Gleichsam erlaubt die Verwendung eines Gitters bei einer magischen Wellenlänge die hochpräzise Anregung von Atomen in den metastabilen Uhrenzustand, der als orbitaler Freiheitsgrad ein Schlüssel zur Simulation von komplexen Vielteilchensystemen darstellt. Durch spektroskopische Messungen bestimmen wir zwei weitere, zuvor unbestimmte magische Wellenlängen, die sich besonders für optische Pinzetten in Neutralatom-Quantencomputern eignen. Um zudem das Spektrum der realisierbaren Quantensimulationsexperimente zu erweitern, messen wir auch potentialfreie Wellenlängen, bei denen die atomare Polarisierbarkeit und somit die Atom-Licht-Wechselwirkung verschwindet, sowohl für den Grund- als auch den Uhrenzustand mithilfe von periodischer Modulation, die zu parametrischem Heizen und kontrolliertem Teilchenverlust führt. Ergänzend illustrieren wir eine neuartige Messmethode, die auf thermometrischen Messungen des Seitenbandspektrums beruht. Dies stellt die erste Messung solcher Wellenlängen für Ytterbium und insbesondere die erste Beschreibung einer potentialfreienWellenlänge für einen optisch angeregten Zustand überhaupt dar. Unterstützt wird dieses Resultat durch ein empirisches Modell, das die Polarisierbarkeiten der drei energetisch niedrigsten Zustände über den sichtbaren und infraroten Spektralbereich beschreibt und die gemessenen magischen und potentialfreienWellenlängen miteinbezieht, um die Präzision des Modells zu verbessern. Zudem führen wir in dieser Arbeit aus, wie optische Fallen bei ebendiesen Wellenlängen die Simulation von Gittereichtheorien in zwei räumlichen Dimensionen sowie die gezielte Neuanordnung von Atomen in Gittern mit geringen Abständen zwischen den Gitterplätzen ermöglichen können. Während Ersteres einen großen Schritt hin zu einem besseren Verständnis von komplizierten Feldtheorien bedeuten würde, erlaubt Letzteres die Initialisierung von beliebigen Anfangszuständen in optischen Gittern und eröffnet somit neue Möglichkeiten bei der Untersuchung von Vielteilchensystemen.

Abstract

This thesis reports on the construction of a novel experimental system based on a combination of a three-dimensional optical lattice and a tweezer array, which aims at the implementation of quantum simulation experiments with ultracold ytterbium atoms in state-dependent potentials. With large ground-state fractions as an essential prerequisite for most quantum simulation protocols, we describe the first realization of sideband cooling on the ultranarrow clock transition of spinless bosonic ytterbium atoms trapped in one- and two-dimensional optical lattices. This allows us to reach the lowest vibrational band along the strongly confined directions and is expected to provide us with a method to cool the atoms to the absolute motional ground state. In addition, we characterize a complementary molasses cooling method, enabling us to perform fluorescence imaging of atoms in optical tweezers and lattices at different trap wavelengths for long exposure times. Here, it is instrumental to attain quasi-magic conditions to cancel differential light shifts, rendering the cooling efficient for all atoms irrespective of their position in the trap and its depth. To this end, we find a new magic angle for this cooling transition by tilting the magnetic field vector with respect to the lattice polarization. Moreover, we make use of a magic-wavelength lattice to excite atoms to the metastable clock state with high precision, which can thus be used as an orbital degree of freedom to simulate complex many-body systems. Conducting spectroscopic measurements of the wavelength-dependent ac Stark shift, we further determine two previously unknown magic wavelengths, which will likely find manifold applications in neutral-atom quantum computing systems. To expand the toolbox for quantum simulation experiments, we also measure the tune-out wavelengths for the ground and clock state, where the respective ac polarizability and thus the atom-light coupling vanishes, by means of a modulation scheme to induce parametric heating and subsequent atom loss from the trap. Furthermore, we present a novel approach to detect tune-out wavelengths via sideband thermometry measurements. This represents the first report of such wavelengths for ytterbium and, in particular, the first time a tune-out wavelength for an excited state of an optical transition has been determined. We frame these results in an empirical model that describes the dynamical polarizabilities of the three lowest-lying states over the visible and infrared optical spectrum by taking the measured distinctive wavelengths into account, which leads to an enhanced predictive power of this model. Additionally, we explicate on the facility of leveraging state-dependent potentials for the simulation of lattice gauge theories in one and two spatial dimensions as well as strategies for the dense rearrangement of atoms in lattices or tweezer arrays with minimal spacings. While the former would enable the unprecedented study of complicated field theories, the latter could pave the way for quantum simulation experiments with arbitrary initial states in optical lattices, opening up the possibility to study new phenomena in previously inaccessible many-body systems.

• 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: 4. September 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Aidelsburger, Monika