A microscope for Fermi gases

Diese Dissertation berichtet über ein neuartiges
Quantengasmikroskop, mit dem Vielteilchensysteme von fermionischen
Atomen in optischen Gittern untersucht werden. Die
einzelplatzaufgelöste Abbildung ultrakalter Gase im Gitter hat
mächtige Experimente an bosonischen Vielteilchensystemen
ermöglicht. Die Erweiterung dieser Fähigkeit auf Fermigase bietet
neue Aussichten, komplexe Phänomene stark korrelierter Systeme zu
erforschen, für die numerische Simulationen oft nicht möglich sind.
Mit Standardtechniken der Laserkühlung, optischen Fallen und
Verdampfungskühlung werden ultrakalte Fermigase von 6Li präpariert
und in ein 2D optisches Gitter mit flexibler Geometrie geladen. Die
Atomverteilung wird mithilfe eines zweiten, kurzskaligen Gitters
eingefroren. Durch Raman-Seitenbandkühlung wird an jedem Atom
Fluoreszenz induziert, während seine Position festgehalten wird.
Zusammen mit hochauflösender Abbildung erlaubt die Fluoreszenz die
Rekonstruktion der ursprünglichen Verteilung mit
Einzelplatzauflösung und hoher Genauigkeit. Mithilfe von magnetisch
angetriebener Verdampfungskühlung produzieren wir entartete
Fermigase mit fast einheitlicher Füllung im ersten Gitter. Dies
ermöglicht die ersten mikroskopischen Untersuchungen an einem
ultrakalten Gas mit klaren Anzeichen von Fermi-Statistik. Durch die
Präparation eines Ensembles spinpolarisierter Fermigase detektieren
wir eine Abflachung im Dichteprofil im Zentrum der Wolke, ein
Charakteristikum bandisolierender Zustände. In einem Satz von
Experimenten weisen wir nach, dass Verluste von Atompaaren an einem
Gitterplatz, bedingt durch lichtinduzierte Stöße, umgangen werden.
Die Überabtastung des zweiten Gitters erlaubt eine deterministische
Trennung der Atompaare in unterschiedliche Gitterplätze. Die
Kompression einer dichten Wolke in der Falle vor dem Laden ins
Gitter führt zu vielen Doppelbesetzungen von Atomen in
unterschiedlichen Bändern, die wir ohne Anzeichen von paarweisen
Verlusten abbilden können. Somit erhalten wir die wahre
Besetzungsstatistik an jedem Gitterplatz. Mithilfe dieser
Besonderheit werten wir die lokale Besetzungsstatistik an einem
Ensemble bandisolierenderWolken aus. Im Zentrum bei hoher Füllung
sind die Atomzahlfluktuationen um eine Größenordnung unterdrückt,
verglichen mit klassischen Gasen, eine Manifestation des
Pauliverbots. Die Besetzungswahrscheinlichkeiten werden verwendet,
um die lokale Entropie an jedem Gitterplatz zu messen. Eine
niedrige Entropie pro Atom bis 0.34kB wird im Zentrum des
Bandisolators gefunden. Die Erweiterung der Quantengasmikroskopie
auf entartete Fermigase eröffnet neue Möglichkeiten der
Quantensimulation stark korrelierter Vielteilchensysteme und kann
einzigartige Erkenntnisse über fermionische Systeme im und
außerhalb vom Gleichgewicht, Quantenmagnetismus und verschiedene
Phasen des Fermi-Hubbard-Modells ergeben.