Probing excitation spectra of ultracold 2D and 3D fermionic superfluids

Abstract

This thesis focuses on experimental studies of strongly correlated fermionic superfluids in the crossover from a Bose-Einstein condensate (BEC) of molecules to a Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superfluid of weakly bound Cooper pairs. In the first part of the thesis we prepare homogeneous 3D ultracold Fermi gases and probe the full momentum-resolved low-energy excitation spectrum with Bragg spectroscopy. This allows us to directly observe the smooth crossover from a bosonic to a fermionic superfluid that takes place in the BEC-BCS crossover. Furthermore, we use the excitation spectra to extract key quantities of the many-body system, the speed of sound and the pairing gap, which provide quantitative benchmarks for theoretical predictions. In subsequent experiments, we study Fermi gases with a strong vertical confinement to probe the excitation spectrum of 2D Fermi gases, allowing us to compare the stability of 2D and 3D fermionic superfluids.

In the second part of the thesis we present the creation of spin-imbalanced ultracold Fermi gases in box potentials. They are close to the 2D regime and we achieve temperatures about a factor of 2 lower than in previous works for 2D harmonically trapped gases for spin-imbalances smaller than P=0.2. We experimentally observe that the gases are locally imbalanced with a nearly constant imbalance over the entire cloud. We do not observe any experimental indication of phase separation predicted by most theoretical works, which expect a first-order phase transition at very low temperatures resulting in formation of balanced domains and domains hosting the majority excess.

Diese Arbeit konzentriert sich auf experimentelle Studien von stark korrelierten fermionischen Suprafluiden im Übergang von einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) von Molekülen zu einem Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Suprafluid von schwach gebundenen Cooper-Paaren. Im ersten Teil der Arbeit präparieren wir homogene 3D ultrakalte Fermigase und untersuchen das vollständig impulsaufgelöste niederenergetische Anregungsspektrum mit Bragg-Spektroskopie. Dies ermöglicht es uns, den graduellen Übergang von einem bosonischen zu einem fermionischen Suprafluid, der im BEC-BCS-Übergang stattfindet, direkt zu beobachten. Darüber hinaus verwenden wir die Anregungsspektren, um wichtige Größen des Vielteilchensystems, die Schallgeschwindigkeit und die Energielücke, zu extrahieren und diese mit theoretischen Vorhersagen quantitativ zu vergleichen. In anschließenden Experimenten untersuchen wir Fermigase mit einer starken vertikalen Einschließung, um das Anregungsspektrum von 2D Fermigasen zu untersuchen. Dies ermöglicht es uns, die Stabilität von 2D und 3D fermionischen Suprafluiden zu vergleichen.

Im zweiten Teil der Arbeit präsentieren wir die Erzeugung von spin-unausgeglichenen ultrakalten Fermigasen in Boxpotentialen. Sie befinden sich nahe dem 2D-Regime und wir erreichen Temperaturen, die um den Faktor 2 niedriger sind als in früheren Arbeiten mit 2D harmonisch eingeschlossenen Gasen für Spin-Ungleichgewichte kleiner als P=0.2. Wir beobachten experimentell, dass die Gase lokal unausgeglichen sind und das Spin-Ungleichgewicht über die gesamte Wolke nahezu konstant bleibt. Wir beobachten keine experimentellen Hinweise auf eine Phasentrennung, die von den meisten theoretischen Arbeiten vorhergesagt wird. Diese erwarten einen Phasenübergang erster Ordnung bei sehr niedrigen Temperaturen, der zur Bildung von ausgeglichenen Domänen und Domänen, die den Überschuss beherbergen, führt.