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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-84962
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8496/


Towards Quantum Simulation of the Kondo-Lattice-Model

Auf dem Weg zur Quantensimulation des Kondo-Gitter-Modells

Kochanke, André

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Quantengase , degenerierte Fermigase, optische Gitter , Uhrenspektroskopie , Spinaustauschwechselwirkung , zustandsabhängiges Gitter
Freie Schlagwörter (Englisch): Quantumgases , degenerate Fermi gases , optical lattices , clock spectroscopy , spin exchange interaction , state depending lattice
Basisklassifikation: 33.05 , 33.38 , 33.30
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Sengstock, Klaus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.04.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 12.05.2017
Kurzfassung auf Englisch: Ultracold quantum gases of alkaline-earth-like metals are a versatile tool to investigate interacting many-body physics by realizing clean and controllable experimental model systems. Their intriguing properties range from energetically low-lying clock transitions, which allow for high-resolution spectroscopy, over meta-stable states, which can be regarded as a second species with orbital degree of freedom, to SU(N) symmetry, allowing novel magnetic phases. These open up new possibilities for quantum simulators. Using them in combination with optical lattices dissipative Fermi-Hubbard models and the Kondo-lattice-model can be realized, two promising examples for probing strongly correlated systems.
This thesis presents an experimental apparatus for producing ultracold samples of fermionic 173Yb (N≤6). A new bicolor dipole trap was implemented with a final, average trap frequency of 36Hz. Using optical, resonant pumping and an Optical-Stern-Gerlach scheme,
the spin mixture can arbitrarily be changed from a six- to a one-component gas. Typically the degenerate Fermi gases consist of 87000 atoms at 17.5%TF (N=6) and of 47000 atoms at 19.4%TF (N=1).
The lowest lying meta-stable state 3P0 (578nm) is coherently controlled using a clock-laser setup with a linewidth of FWHM=1Hz by means of Rabi oscillations or rapid adiabatic passage. By conducting spectroscopic measurements in a 3D magic lattice (759nm) we demonstrate interband transitions and observe the 1S0⇔3P0 excitation with a resolution of FWHM=50(2)Hz. Applying these techniques to a two-component spin mixture reveals a shift of the clock-transition caused by spin-exchange interaction between the orbital symmetric |eg>(+)|↑↓>(-) and the orbital antisymmetric |eg>(-)|↑↓>(+) state.
Using the inelastic properties of the 3P0 state a dissipative Fermi-Hubbard model is realized. The dynamics in this system can not be described by a simple two-body loss model. We identify two relevant time scales and observe a spin dependence of the g(2) correlation function. The here presented apparatus and experimental results constitute an important step towards a profound understanding of strongly correlated many-body systems and for bridging the gap between quantum gases and condensed matter physics.
Kurzfassung auf Deutsch: Ultrakalte Quantengase mit erdalkali-ähnlichen Metallen stellen ein vielseitiges Werkzeug dar, um Vielteilchensysteme mit Wechselwirkung zu untersuchen. Dabei ist man in der Lage, diese experimentellen Modellsysteme in einer sauberen und kontrollierbaren Weise umzusetzen. Durch ihre faszinierenden Eigenschaften, z.B. energetisch niedrig liegende Uhrenübergänge, welche hochauflösende Spektroskopie ermöglichen, metastabile Zustände, die als unabhängige Teilchensorte mit orbitalem Freiheitsgrad betrachtet werden können oder SU(N)-Symmetrie, welche neuartige magnetische Phasen hervorbringen kann, können neue Arten von Quantensimulatoren ermöglicht werden. Im Zusammenspiel mit optischen Gittern können diese Metalle dissipative Fermi-Hubbard-Modelle und das Kondo-Gitter-Modell realisieren, zwei vielversprechende Beispiele für stark korrelierte Systeme.
Diese Abschlussarbeit präsentiert einen experimentellen Aufbau zur Herstellung von ultrakalten Gasen mit 173Yb (N≤6). Eine neue, zweifarbige Dipolfalle wurde aufgebaut und erreicht eine Endfallenfrequenz von 36Hz. Durch Benutzung von resonantem, optischem Pumpen und einem Optischen-Stern-Gerlach System kann eine beliebige Spinmischung zwischen einer und sechs Komponenten erzeugt werden. Typischerweise besteht ein entartetes Fermigas aus 87000 Atomen bei 17.5%TF (N=6) und aus 47000 Atomen bei 19.4%TF (N=1).
Der niedrigst liegende metastabile Zustande 3P0 (578nm) kann mithilfe eines Uhrenlasers, dieser hat eine Linienbreite von FWHM=1Hz, durch Rabioszillationen oder einer rapiden-adiabatischen-Passage populiert werden. Durch spektroskopische Messungen in einem magischen 3D Gitter (759nm) demonstrieren wir Übergänge zwischen verschiedenen Bändern und beobachten die 1S0⇔3P0 Anregung mit einer Auflösung von FWHM=50(2)Hz. Unter Anwendung dieser Technik bei einer zweikomponentigen Mischung ergibt sich ein Frequenzversatz des Uhrenübergangs durch Spinwechselwirkung zwischen dem orbital symmetrischen |eg>(+)|↑↓>(-) und orbital antisymmetrischen |eg>(-)|↑↓>(+) Zustand.
Unter Ausnutzung der inelastischen Wechselwirkung des 3P0 Zustands wird ein dissipatives Fermi-Hubbard Modell realisiert. Die Dynamik in diesem System kann nicht mit einem einfachen Zweikörperverlust-Modell beschrieben werden. Wir identifizieren zwei relevante Zeitskalen und beobachten eine Spinabhängigkeit der g(2) Korrelationsfunktion.
Der hier vorgestelle Aufbau und die experimentellen Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zum Verständnis von stark korrelierten Vielteilchensystemen dar und verbinden die Forschungsfelder von Quantengasen und kondensierter Materie.

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