Experimental Studies of Interactions in Ytterbium Fermi Gases and Quantum Hall Ladder Systems

Abstract

Diese Dissertation ist im Forschungsbereich der Quanten-Simulation angesiedelt, insbesondere in der Untersuchung von Quantenphänomenen mit kalten Ytterbiumatomen. Basierend auf Richard Feynmans Vision werden experimentelle Techniken zur Erzeugung und Manipulation kalter Atome eingesetzt, um spezifische Quantenszenarien zu simulieren.

Im ersten Teil untersuchen wir einerseits interisotopische interorbitale Wechselwirkungen in Mischungen von 171Yb und 173Yb und andererseits Spin-Austausch-Wechselwirkungen von 171Yb mittels Uhrenspektroskopie. Wir charakterisieren die elastischen Streulängen als (171/173)a_eg = 497.4(8) a₀ und (171/173)a_ge = 482(1) a₀ und bestätigen deren SU(2) ⊗ SU(6)-Symmetrie. Die gemessenen Zerfallskoeffizienten für inelastische Wechselwirkungen zeigen, dass (171/173)β_eg etwa 400-mal stärker ist als (171/173)β_ge, was darauf hinweist, dass Mischungen aus 171Yb_g - 173Yb_e besser für Quanten-Simulationen geeignet sind. Für die Spin-Austausch-Wechselwirkungen von 171Yb ermitteln wir Streulängen von a_eg⁺ = 203(5) a₀ und a_eg⁻ = 308(6) a₀. Der negative Wert der Spin-Austausch-Wechselwirkung V_ex bestätigt deren antiferromagnetische Natur, was 171Yb zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Simulation des Kondo-Gittermodells macht.

Im umfassenderen zweiten Teil untersuchen wir den Einfluss von Teilchenwechselwirkungen auf das Auftreten chiraler Randströme in Quanten-Hall-Systemen. Wir berichten detailliert über die experimentelle Realisierung eines Quanten-Hall-Leitersystems, ausgehend von den theoretischen Grundlagen des Harper-Hofstadter-Modells und dessen Implementierung in kalten Atomen mittels künstlicher Eichfelder. Wir skizzieren die wesentlichen Schritte zur Vorbereitung und Implementierung von Quanten-Hall-Leitern und bestätigen die erfolgreiche Realisierung des Systems durch präzise Messungen chiraler Randströme. Darüber hinaus bietet diese Arbeit wertvolle Einblicke in praktische Herausforderungen und Optimierungsstrategien für experimentelle Daten. Wir beschreiben bisher nicht berichtete Dynamiken während des Bandmappings und noch wichtiger während der Eigenzustandspräparation, die die Messung chiraler Ströme erheblich beeinflussen. Es werden ausgeprägte chirale Ströme beobachtet, die die in vergleichbaren experimentellen Studien berichteten Werte übertreffen und Impulsverteilungen aufweisen, die eng mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Schließlich untersuchen wir, wie Teilchenwechselwirkungen, die entlang einer synthetischen Dimension unendlich langreichend und entlang eines flachen optischen Gitters auf eine einzelne Gitterstelle lokalisiert sind, die topologisch geschützten chiralen Randströme beeinflussen. Im stark wechselwirkenden Regime stellen wir eine Unterdrückung der chiralen Ströme fest. Unsere Daten sind mit zwei unterschiedlichen Wechselwirkungsverhalten konsistent: einer linearen differentiellen Wechselwirkungsantwort und einer konstanten relativen Unterdrückung der Ströme innerhalb des untersuchten Wechselwirkungsbereichs. Darüber hinaus deuten unsere Ergebnisse auf die Möglichkeit eines dynamischen Bereichs im schwach repulsiven Regime hin.

Diese Dissertation trägt zur Weiterentwicklung des Forschungsfeldes der Quanten-Simulation bei, indem sie unser Verständnis von Wechselwirkungen und topologischen Eigenschaften in kalten Atom-Systemen vertieft. Unsere Ergebnisse erweitern das Verständnis von Wechselwirkungseffekten in verschiedenen Szenarien und könnten zur Erforschung von fraktionierten Quanten-Hall-Zuständen beitragen. In diesem Zusammenhang könnte ein tieferes Verständnis von Wechselwirkungen den Weg für die Entwicklung robuster Quanteninformationsprotokolle ebnen.

This thesis is based in the research field of quantum simulation, particularly in the investigation of quantum phenomena with cold ytterbium atoms. Based on Richard Feynman's vision, the work employs experimental techniques for the creation and manipulation of cold atoms to simulate specific quantum scenarios.

In the first part, we investigate, on the one hand, interisotope interorbital interactions in mixtures of 171Yb and 173Yb and, on the other hand, spin-exchange interactions of 171Yb using clock spectroscopy. We characterize the elastic scattering lengths as (171/173)a_eg = 497.4(8) a₀ and (171/173)a_ge = 482(1) a₀ and prove their SU(2) ⊗ SU(6) symmetry. The measured decay coefficients for inelastic interactions reveal that (171/173)β_eg is approximately 400 times stronger than (171/173)β_ge, indicating that 171Yb_g - 173Yb_e mixtures are more suited for quantum simulations. For the spin-exchange interactions of 171Yb, we find scattering lengths of a_eg⁺ = 203(5) a₀ and a_eg⁻ = 308(6) a₀. The negative value of the spin-exchange interaction V_ex confirms its antiferromagnetic nature, making 171Yb a promising candidate for simulating the Kondo lattice model.

In the more comprehensive second part, we investigate the influence of inter-particle interactions on the emergence of chiral edge currents in quantum Hall systems. We provide a detailed report on the experimental realization of a quantum Hall ladder system, beginning with the theoretical foundations of the Harper-Hofstadter model and its implementation in cold atom systems through artificial gauge fields. We outline the essential steps for preparing and implementing quantum Hall ladders, confirming the successful realization of the system through precise measurements of chiral edge currents. Additionally, this work provides valuable insights into practical challenges and optimization strategies for experimental data. We describe previously unreported dynamics during bandmapping and, more importantly, during the eigenstate preparation, which significantly impact the measurement of chiral currents. We observe prominent chiral currents, which exceed those reported in comparable experimental studies and exhibit momentum distributions closely aligning with theoretical predictions. Finally, we examine how inter-particle interactions, which are infinitely long-ranged along a synthetic dimension and localized to a single lattice site along a shallow optical lattice, affect the topologically protected chiral edge currents. In the strongly interacting regime, we find a suppression of chiral currents. Our data is consistent with two distinct interaction behaviors: a linear differential response and a constant relative suppression of the currents within the explored interaction regime. Furthermore, our findings suggest the possibility of a dynamic area in the weakly repulsive regime.

This thesis advances the field of quantum simulation by enhancing our understanding of interactions and topological properties in cold atom systems. Our results deepen the comprehension of interaction effects in different scenarios, and may contribute to the exploration of fractional quantum Hall states. In this context, a deeper understanding of interactions could pave the way for the development of robust quantum information protocols.