A Matter-Wave Microscope for Lithium Atoms in a Tunable Optical Lattice

Abstract

Ultracold gases in optical lattices are a pristine experimental platform for quantum simulation of complex many-body systems as they come with a high degree of control and a wide range of accessible observables. The advent of quantum gas microscopes has revolutionized the access to quantum many-body systems by detecting and addressing single particles on single lattice sites. However, they are limited to 2-dimensional (2D) systems and suffer from parity projection due to light-assisted collisions. A complementary approach is the so-called matter-wave microscopy or quantum gas magnification, where the atomic density distribution is magnified via matter-wave optics before taking absorption images with sub-lattice site resolution.

In this thesis, we report on the construction of a matter-wave microscope for ultracold 7Li-atoms in optical lattices. Within the course of this thesis, we adapted the experimental apparatus that was formerly used for experiments with the fermionic isotope 6Li, to create Bose-Einstein condensates of ca. 1 × 10^5 7Li-atoms within a cycle time of ca. 14 s. To this end, we implemented a multi-frequency 2D-MOT scheme and set up an optically plugged magnetic quadrupole trap as well as a novel dipole trap setup, that can simultaneously be used to create optical lattices with dynamically tunable, yet passively stable geometry of the lattice structure. The interference of three laser beams is suppressed by detuning their frequencies and then pairwisely reestablished by imprinting sidebands onto each beam. This setup allows us to use the same beams as a dipole trap that we also employ as a matter-wave lens for the magnification of the density distribution in the matter-wave microscopy. Via a quarter-period evolution in the harmonic trap, the initial positions of the atoms are mapped onto their momenta. A subsequent time of free expansion results in a Fourier transform back to the initial density distribution but with a magnification M that is typically on the order of M ≈ 24 for our parameter settings. We use this technique to study the matter-wave Talbot effect in coherent systems, which in the future will give us access to the g1 correlation function.

Ultrakalte Quantengase in optischen Gittern bieten vielseitig einsetzbare Möglichkeiten zur Quantensimulation komplexer Vielteilchensysteme. Sie bestechen dabei durch einen hohen Grad an Kontrolle über das Modellsystem und den Zugang zu einer großen Anzahl von Observablen. Durch die Einführung von Quantengasmikroskopen mit der Möglichkeit, einzelne Teilchen an einzelnen Gitterplätzen zu detektieren und gezielt zu manipulieren, wurde der Zugang zu quantenmechanischen Vielteilchensystemen revolutioniert. Allerdings beschränkt sich dieser Zugang auf zweidimensionale Systeme und Licht-assoziierte Stöße führen dazu, dass nur die Parität der Besetzung auf einem Gitterplatz gemessen werden kann. Ein hierzu komplementärer Ansatz besteht in der sogenannten Materiewellen-Mikroskopie oder auch Quantengasvergrößerung. Hierbei wird die atomare Dichteverteilung mit Hilfe von Materiewellen-Optik vergrößert, bevor sie in einer Absorptionsabbildung mit Sub-Gitterplatzauflösung abgebildet wird . In dieser Dissertation wurde ein Experiment zur Materiewellen-Mikroskopie ultrakalter 7Li-Atome in optischen Gittern aufgebaut. Die experimentelle Apparatur, die vormals zum Kühlen des fermionischen Isotops 6Li benutzt wurde, wurde im Rahmen dieser Arbeit angepasst, sodass sie nun wiederholt Bose-Einstein-Kondensate bestehend aus 1 × 10^5 7Li-Atomen innerhalb von 14 s erzeugen kann. Hierfür wurde eine multifrequenz-basierte 2D-MOT entwickelt und eine magnetische Quadrupolfalle in Betrieb genommen. Das Einstrahlen eines repulsiven Laserstrahls verhindert hierbei Majorana-Verluste im Fallenzentrum. Darüberhinaus wurde eine neuartige Dipolfalle errichtet, die auch als optisches Gitter verwendet werden kann. Hierfür werden zunächst drei Laserstrahlen in ihrer Frequenz zueinander verstimmt, sodass sie nicht miteinander interferieren. Anschließend sorgt das Aufmodulieren von Frequenz-Seitenbändern dafür, dass die Interferenz paarweise wiederhergestellt wird. Hierdurch kann die Geometrie der entstehenden Gitterstruktur dynamisch verändert werden, wobei die Geometrie dennoch passiv stabil bleibt. Dieses Lasersystem nutzen wir unter anderem als optische Dipolfalle für die Materiewellen-Mikroskopie. Wir halten die Atome für eine viertel Periode in der durch die Dipolfalle realisierten harmonischen Falle, was dazu führt, dass der anfängliche Ort der Atome durch eine Fourier-Transformation in einen Impuls umgewandelt wird. Eine anschließende freie Expansion ermöglicht eine Rücktransformation zur ursprünglichen Dichteverteilung, wobei diese um einen Faktor M vergrößert wurde. Für typische experimentelle Parameter in unserem System ist diese Vergrößerung M ≈ 24. Mit dieser Technik studieren wir den sogenannten Materiewellen-Talbot-Effekt. Dieser tritt in kohärenten Systemen auf und wird es uns in Zukunft ermöglichen, Rückschlüsse auf die g1-Korrelationsfunktion zu ziehen.