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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-92425
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9242/


Probing Ytterbium quantum gases in an optical lattice using the clock transition

Die Untersuchung von Ytterbium-Quantengasen in einem optischen Gitter anhand des Uhrenübergangs

Ponath, Thomas Georg

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SWD-Schlagwörter: Experimentalphysik , Spektroskopie , Quantenoptik , Atomphysik , Laserspektroskopie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Quantengase , degenerierte Fermigase , zustandsabhängiges Gitter , Uhren - Spektroskopie , Spinaustausch - Wechselwirkung , Uhrenlaser
Freie Schlagwörter (Englisch): Quantum gases , degenerate Fermi gases , optical lattice , clock spectroscopy , spin exchange interaction , state dependent lattice , clock laser
Basisklassifikation: 33.38 , 33.30 , 33.07 , 33.23 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Sengstock, Klaus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.06.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 30.07.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Im “Ytterbium Quantengas”-Experiment untersuchen wir stark korrelierte Quantenvielteilchenphysik mit einem System aus ultrakaltem Ytterbium in einem optischen Gitter durch Spektroskopie an einem extrem schmalen “Uhrenübergang” mit einem stabilen, schmalbandigen Laser.

Ultrakalte Quantengase aus Erdalkali-ähnlichen (AEL) Atomen eignen sich hervorragend als "Quantensimulator"-Systeme zur Untersuchung stark korrelierter Vielteilchenphysik. Fermionische AELs, wie z.B. 173Yb, weisen viele günstige Eigenschaften für Experimente auf: einen schmalen Uhrenübergang, der präzise spektroskopische Messungen ermöglicht, einen tief liegenden, langlebigen metastabilen Zustand, eine Entkopplung von Kernspin und elektronischem Zustand und eine SU(N)-Symmetrie. Ultrakalte Quantengase von AEL-Atomen in einem optischen Gitter ermöglichen die experimentelle Realisierung komplexer Systeme wie das Kondo-Gitter-Modell oder die Untersuchung von Korrelationen in stark dissipativen Systemen.

Ich stelle einen Aufbau einer volloptischen 2D/3D MOT mit optischer Dipolfalle vor. Wir erzeugen saubere, ultrakalte Ytterbium-Quantengase mit Kontrolle über die Spin-Population. Wir können einige 104 Atome in das unterste Band eines tiefen dreidimensionalen optischen Gitters laden, das bei der magischen Wellenlänge von 578 nm arbeitet. Ein Abbildungssystem mit einem Repumping-Laser ermöglicht die getrennte Detektion von grundzustands- und angeregten Atomen.

Kohärente Kontrolle über den metastabilen elektronischen Zustand und eine hohe spektroskopische Auflösung erfordern ein hochstabiles, schmalbandiges Lasersystem, das im Zentrum dieser Arbeit steht. Ich präsentiere eine detaillierte Charakterisierung unseres überarbeiteten 578 nm “Uhren”-Lasersystems, welches durch einen Pound-Drever-Hall (PDH) Lock auf einen Resonator mit hoher Finesse stabilisiert wird. Wesentliche Neuerungen sind der vollständig aus ULE Glas bestehende Resonator, der einen Betrieb mit geringer Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Strahlleistungsschwankungen ermöglicht, ein wellenleiterbasierter, fasergekoppelter EOM für optimale Modulationstiefen des PDH-Lock, eine verbesserte Strahlleistungs-Stabilisierung im Lock-Aufbau und eine verbesserte phasenstabile Faserverbindung zum Experiment. In einer Stabilitätsanalyse mit einem unabhängig auf einen zweiten Resonator stabilisierten Strahl zeigt der Uhrenlaser eine kurzzeitige Linienbreite von 1 Hz über 2 s. Das kombinierte System zeigt Ein-Stunden lange Zeitfenster mit annähernd linearem Drift und verbleibende Frequenzschwankungen von bis zu 50 Hz. Die Messungen der atomaren Resonanzfrequenz ergab einen langfristigen linearen Drift des Resonators von 318 ± 1 mHz/s. Dieses Lasersystem ist ein wichtiges Werkzeug für die Präparation, Manipulation und Untersuchung von stark korrelierten Vielteilchensysteme aus ultrakaltem Ytterbium.

In kohärenten Uhrenspektroskopie an Spin-polarisiertem 173Yb erreichten wir eine hohe Auflösung von 50 ± 2 Hz FWHM (sinc²-Funktions-Fit) und über 80% Anregung in dem metastabilen 3P0-Zustand. Wir präsentierten Übergänge in höhere Bändern des optischen Gitters. In Spektroskopie-Messungen an Zwei-Spin-Komponenten-Mischungen konnten wir ein Merkmal von Spin-Austausch-Wechselwirkungen zwischen interorbitalen Zwei-Teilchen-Zuständen auflösen.

Der vorgestellte Aufbau und die entwickelten Techniken zur Präparation und kohärenten Kontrolle von Ytterbium bieten einen idealen Ausgangspunkt für die Erforschung neuer Quantensysteme.
Kurzfassung auf Englisch: In the “Ytterbium quantum gas” experiment, we investigate strongly correlated quantum many-body physics with a system of ultracold Ytterbium in an optical lattice by performing spectroscopy on an ultra-narrow “clock” transition using a stable, narrow-linewidth laser.

Ultracold quantum gases of alkaline-earth-like (AEL) elements are highly suitable as “quantum simulator” systems for the investigation of strongly-correlated many-body physics. Fermionic AELs, such as 173Yb, exhibit many favourable features for experiments: a narrow clock transition enabling precision spectroscopy measurements, a low-lying, long-lived metastable state, a decoupled nuclear spin- and electronic state and an SU(N) symmetry. Ultracold quantum gases of AEL atoms in an optical lattice enable experimental realizations of complex systems, such as the Kondo lattice model, or the study of correlations emerging in strongly dissipative systems.

I show an experimental apparatus of an all-optical 2D/3D MOT setup with three-beam optical dipole trap. We prepare clean, ultracold Ytterbium quantum gases with control over the spin population. We can load several 104 atoms into the lowest band of a three-dimensional, deep optical lattice, operating at the magic-wavelength of 578 nm. An imaging system with a repumping laser enables the separate detection of ground- and excited state atoms.

Coherent control over the metastable electronic state and high spectroscopic resolution require a highly stable, narrow-linewidth laser system, which is at the focus of this thesis. I present a detailed characterisation of our revised 578 nm “clock” laser system stabilised by Pound-Drever-Hall (PDH) lock to a high-finesse cavity. Key features are the all-ULE glass cavity enabling operation with low sensitivities to temperature- and beam power fluctuations, a waveguide-based, fibre-coupled EOM providing optimal modulation depths for the PDH lock, an improved beam power stabilisation in the lock setup and an improved phase-stable fibre link to the experiment. In a stability evaluation with a beam independently locked to a second cavity, the clock laser shows a short-time linewidth of 1 Hz over 2 s. The combined system shows 1-hour long windows of approximately linear drift with remaining frequency fluctuations up to 50 Hz. Monitoring the atomic resonance frequency, we obtained a long-term linear drift of 318 ± 1 mHz/s of the cavity. This laser system is a crucial tool for the preparation, manipulation and probing of strongly-correlated many-body systems of ultracold Ytterbium.

In coherent clock spectroscopy measurements on single spin-component 173Yb, we achieved a high-resolution of 50 ± 2 Hz FWHM (sinc² curve fit) and over 80% excitation fraction to the metastable 3P0 state. We showed transitions to higher bands in the optical lattice. Performing spectroscopy on two spin-component mixtures, we resolved a feature of spin-exchange interactions between inter-orbital two-particle states.

The presented apparatus and the developed techniques for preparation and coherent control of Ytterbium provide an ideal starting point for the study of novel quantum systems.

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