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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-69328
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6932/


Ultracold Yb Gases with Control over Spin and Orbital Degrees of Freedom

Ultrakalte Yb-Gase mit Kontrolle über Spin und orbitale Freiheitsgrade

Thobe, Alexander

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SWD-Schlagwörter: Atomphysik , Quantenoptik , Spektroskopie , Bose-Einstein-Kondensation , Fermi-Gas , Laserkühlung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Ultrastabiler Laser , Optisches Gitter
Freie Schlagwörter (Englisch): atomic physics , quantum gases , Bose-Einstein-Condensation , Fermi gases , optical lattice
Basisklassifikation: 33.07 , 33.23 , 33.05 , 33.30 , 33.38
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Sengstock, Klaus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.04.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 10.09.2014
Kurzfassung auf Englisch: Ultracold quantum degenerate gases of alkaline-earth-like atoms open up new perspectives for the investigation of strongly-correlated many-body physics. Long-lived metastable states in combination with a decoupled nuclear spin enable the realization of intriguing Hamiltonians beyond the possibilities of current alkali-based experiments, ranging from the Kondo lattice model to SU(N)-symmetric magnetic systems. Among the alkaline-earth-like elements, Yb is particularly versatile due to its large number of bosonic and fermionic isotopes with a wide range of interaction strengths. This thesis describes a newly-built setup for the study of quantum manybody physics with ultracold Yb, demonstrating the preparation of Bose-Einstein condensates and multi-component degenerate Fermi gases in an optical lattice with coherent control over the electronic state.
Within this work we have implemented for the first time a two-dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) for the initial laser cooling of Yb. The slow atoms from the 2D-MOT can directly be loaded into a 3D-MOT operating on a narrow intercombination transition, and loading rates comparable with Zeeman slower setups are achieved. The flexibility and the compact setup of the 2D-MOT makes our setup well suited for the production of multi-element quantum gas mixtures in the future.
Via evaporative cooling in a crossed optical dipole trap Bose-Einstein condensates of 174Yb with up to 2x10^5 atoms are produced. Loading the condensate into a triangular optical lattice, we observe the superfluid to Mott-insulator transition with Yb. Using the fermionic isotope 173Yb, quantum degenerate, multi-component Fermi gases with one to six spin components are obtained with up to 8x10^4 atoms at 15% of the Fermi temperature.
In order to coherently prepare Yb quantum gases in the metastable 3P0 state, an ultrastable laser addressing the 1S0-3P0 clock transition at 578nm has been developed as a major part of this thesis. Exhibiting a short-term stability at the 1Hz-level, this laser will serve as an important tool for the manipulation and probing of strongly-correlated many-body systems of ultracold Yb.
Control over the electronic state is demonstrated by Rabi spectroscopy on the 1S0-3P0 transition of quantum degenerate 173Yb in a three-dimensional optical lattice. In a spin-polarized sample more than 90% of the atoms can be prepared in the metastable 3P0 state. Driving a vibrational sideband transition, the atoms can also be coherently excited to higher bands in the optical lattice. Moreover, first experiments towards the electronic state control of interacting spin mixtures are performed, exhibiting signatures of interaction-induced lineshifts.
The preparation and manipulation techniques presented in this thesis constitute an important step towards the exploration of novel quantum many-body physics with ultracold Yb.
Kurzfassung auf Deutsch: Ultrakalte Quantengase aus Erdalkali-ähnlichen Atomen eröffnen neue Möglichkeiten zur Untersuchung stark korrelierter Quantenvielteilchensysteme. Langlebige metastabile Zustände kombiniert mit einem entkoppelten Kernspin ermöglichen es faszinierende Vielteilchensysteme zu realisieren, die über die Möglichkeiten heutiger Alkali-basierter Experimente hinausgehen: Vom Kondo-Gitter-Modell bis hin zu SU(N)-symmetrischen magnetischen Systemen. Von allen Erdalkali-ähnlichen Elementen besticht vor allem Ytterbium (Yb) durch die Vielzahl von fermionischen und bosonischen Isotopen mit unterschiedlichen Wechselwirkungsstärken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer experimenteller Aufbau zur Erforschung von Quantenvielteilchensystemen aus ultrakalten Yb-Atomen realisiert. Mit diesem Aufbau wurden sowohl Bose-Einstein Kondensate, als auch mehrkomponentige Fermigase in einem optischen Gitter präpariert. Ferner wurde die kohärente Kontrolle des elektronischen Zustands ultrakalter Atome demonstriert.
In dem hier vorgestellten Aufbau wurde zum ersten Mal eine zweidimensionale magnetooptische Falle (2D-MOT) zur Erzeugung langsamer Yb-Atome implementiert. Die Atome aus der 2D-MOT können direkt in eine 3D-MOT auf einer schmalen Interkombinationslinie geladen werden. Die erzielten Laderaten sind mit denen von Zeeman slowern vergleichbar. Durch die Flexibilität und den kompakten Aufbau der 2D-MOT ist unsere Apparatur besonders gut für die Erzeugung mehrelementiger Quantengasmischungen in zukünftigen Experimenten geeignet.
Mittels evaporativer Kühlung in einer gekreuzten Dipolfalle wurden reine 174Yb Bose-Einstein Kondensate mit bis zu 2x10^5 Atomen realisiert. Anhand dieser Kondensate konnte der Mott-Isolator Übergang in einem optischen Dreiecksgitter demonstriert werden. Des Weiteren wurden unter Verwendung des fermionischen Isotops 173Yb ein- bis sechskomponentige quantenentartete
Fermigase mit bis zu 8x10^4 Atomen bei 15% der Fermitemperatur erzeugt.
Zur kohärenten Präparation von Yb-Quantengasen im metastabilen 3P0-Zustand wurde als wichtiger Teil dieser Arbeit ein hochstabiler Laser für die Anregung des 1S0-3P0 Uhrenübergangs bei 578nm entwickelt. Mit einer Kurzzeitstabilität von etwa 1 Hz eröffnet dieser Laser vielfältige Möglichkeiten der gezielten Manipulation und Detektion von ultrakalten Yb-Vielteilchensystemen.
Die Kontrolle des elektronischen Zustands wurde anhand von Rabi-Spektroskopie auf dem 1S0-3P0 Übergang von quantenentartetem 173Yb in einem dreidimensionalen optischen Gitter gezeigt. In einem Spin-polarisierten Ensemble können mehr als 90% der Atome im metastabilen
3P0 präpariert werden. Die kohärente Anregung in höhere Bänder des optischen Gitters ist durch die Adressierung von Vibrationsseitenbändern möglich. Schließlich wurden erste Experimente zur Kontrolle des elektronischen Zustands in wechselwirkenden Spin-Mischungen durchgeführt. Diese weisen Anzeichen von wechselwirkungsinduzierten Linienverschiebungen auf.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Präparations- und Manipulationstechniken stellen einen guten Ausgangspunkt dar, um die neuartige Physik von Yb-Quantengasen zu untersuchen.

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