Quantum gas microscopy of interacting quantum matter with artificial gauge fields

Impertro, Alexander Fabian (2025): Quantum gas microscopy of interacting quantum matter with artificial gauge fields. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Analog quantum simulation with ultracold atoms in optical lattices represents a powerful approach to investigate strongly correlated quantum many-body systems, whose complexity renders classical simulation infeasible. This thesis reports key advances achieved with a newly developed quantum gas microscope based on ultracold cesium atoms, specifically tailored to explore exotic quantum phenomena in large-scale systems with unprecedented tunability, precision, and control. First, we introduce a method based on unsupervised neural networks to reconstruct lattice occupations at atomic separations significantly smaller than the optical resolution limit. The unsupervised approach, trained directly on experimental fluorescence images, accurately captures the full imaging process including complex correlated emission processes arising in the short-spacing regime. We demonstrate that this method provides a high-fidelity detection, enabling quantum simulations in previously inaccessible optical regimes. Secondly, we expand quantum gas microscopy beyond simple density measurements by implementing a robust and scalable detection technique for off-diagonal observables, such as local currents and kinetic energies. By partitioning a two-dimensional lattice system into an array of isolated double wells using an optical superlattice, we demonstrate direct measurement and manipulation of coherences with both large-scale global and local control. This enhancement broadens the experimental capabilities of quantum gas microscopes, allowing novel exploration of many-body systems with important applications in topological matter, non-equilibrium dynamics and superconductivity. Lastly, we experimentally study interacting many-body states in the presence of an artificial gauge field on optical flux ladders. In particular, we realize the strongly interacting Mott-Meissner phase -- a state combining interaction-induced localization with chiral currents induced by the gauge field -- in large-scale bosonic flux ladders with 48 sites at half filling. By combining the local readout of currents with a flexible interaction control, we reveal the emerging equilibrium particle currents with full spatial resolution and study their interaction dependence, providing direct experimental evidence of the predicted Mott-Meissner phase. These results constitute a significant experimental advance towards the large-scale realization of interacting topological matter, and more broadly, they provide new avenues for the analog quantum simulation with ultracold atoms.

Abstract

Die analoge Quantensimulation mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern bietet einen leistungsfähigen Ansatz zur Untersuchung stark korrelierter quantenmechanischer Vielteilchensysteme, deren Komplexität klassische Simulationen unmöglich macht. Diese Dissertation berichtet über wesentliche Fortschritte, die mithilfe eines neu entwickelten Quantengasmikroskops auf Basis ultrakalter Cäsiumatome erzielt wurden. Die Plattform wurde speziell entworfen, um exotische Quantenmaterie in großskaligen Systemen mit bislang unerreichter Abstimmbarkeit, Präzision und Kontrolle zu erforschen. Zunächst stellen wir eine Methode basierend auf unüberwacht trainierten neuronalen Netzen vor, um die atomare Besetzung in optischen Gittern in einem Regime zu rekonstruieren, in dem der Gitterabstand deutlich unterhalb der optischen Auflösungsgrenze liegt. Das unüberwachte Training direkt auf experimentelle Fluoreszenzbilder erfasst den gesamten Abbildungsprozess akkurat, einschließlich komplexer korrelierter Emissionsprozesse, die insbesondere im Bereich kurzer atomarer Abstände auftreten. Wir zeigen, dass diese Methode eine hochpräzise Detektion ermöglicht und so den Weg für Quantensimulationen in bisher unerreichbaren Regimen ebnet. Des Weiteren ergänzen wir die Detektions- und Kontrollfähigkeiten der Quantengasmikroskopie über reine Dichtemessungen hinaus, indem wir eine robuste und skalierbare Detektionstechnik für nichtdiagonale Observablen wie lokale Ströme und kinetische Energien implementieren. Durch die Unterteilung eines zweidimensionalen Gittersystems in eine Anordnung isolierter Doppelpotentialtöpfe mittels eines optischen Supergitters demonstrieren wir die direkte Messung und Manipulation von Kohärenzen sowohl mit globaler als auch lokaler Kontrolle in großen Systemen. Diese Erweiterung verbessert die experimentellen Fähigkeiten von Quantengasmikroskopen erheblich und ermöglicht neuartige Untersuchungen von Vielteilchensystemen mit wichtigen Anwendungen in topologischer Materie, Nichtgleichgewichtsdynamik und Supraleitung. Abschließend untersuchen wir wechselwirkende Vielteilchenphasen in Gegenwart eines künstlichen Magnetfeldes auf optischen Flussleitern. Insbesondere realisieren wir die Mott-Meissner-Phase -- einen Zustand, der wechselwirkungsinduzierte Lokalisierung mit chiralen Strömen kombiniert, welche durch das Magnetfeld erzeugt werden -- in großskaligen bosonischen Flussleitern mit 48 Gitterplätzen bei halber Füllung. Durch die Kombination der lokalen Messung von Teilchenströmen mit einer flexiblen Kontrolle der Wechselwirkungsstärke enthüllen wir die entstehenden Gleichgewichtsströme mit vollständiger räumlicher Auflösung und untersuchen deren Abhängigkeit von der Wechselwirkungsstärke. Diese Ergebnisse liefern einen direkten experimentellen Nachweis der vorhergesagten Mott-Meissner-Phase und stellen so einen bedeutenden Fortschritt in Richtung der großskaligen Realisierung wechselwirkender topologischer Materie dar. Zusammen mit den vorher genannten Ergebnissen eröffnen wir damit eine Vielzahl neuer Wege für die analoge Quantensimulation mit ultrakalten Atomen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ultracold atoms, optical lattices, artificial gauge fields, neutral atoms, quantum simulation, many-body systems, quantum matter
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 5. Juni 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel