Confinement-induced dynamics in ultracold 2D Fermi gases: Exploring polarons and spin imbalances

Abstract

This thesis focuses on confinement-induced dynamics in 2D Fermi gases, how they modify the dynamics of the superfluid, and how they can be harnessed to probe many-body systems, namely Bose polarons and imbalanced Fermi gases. In the first part, I will show how the dynamics of the superfluid order parameter are altered by strong confinement. Using trap-modulation spectroscopy, we excite the amplitude mode of the superfluid order parameter, which hybridizes with a confinement-induced oscillation. This hybridization can be explored by tuning the energies of the involved modes via interactions and is described by a supporting effective field theory. Furthermore, I show that the confinement-induced mode disappears near the superfluid critical temperature, providing a probe of superfluidity.

In the second part, we create a repulsive Bose polaron in the strongly interacting regime by eliminating the dominating decay process usually present in polaronic quantum gas experiments. This is achieved by using bosonic dimers that are stable towards decay via Pauli blocking, since they are composed of fermions. The discrete energy levels of the confinement are then exploited as a synthetic spin, with the bath residing in the ground state. Transferring particles from the bath into higher levels then creates impurities. Using trap modulation and Bragg spectroscopy, we extract the energies, quasiparticle residue, and, for the first time, the effective mass of the Bose polaron. Our results are supported by a T-matrix theory and quantum Monte Carlo simulations.

In the last part, we will explore 2D spin-imbalanced Fermi gases. We achieve temperatures more than a factor of two lower than in previous experiments, up to polarizations of P=0.2, and observe a homogeneous local polarization in the entire box trap for all probed polarizations and interactions. We find that the confinement-induced mode of the superfluid, as well as vortices, persist well into the strongly interacting regime, a strong indicator of superfluidity. Lastly, to connect our results to previous experiments conducted under harmonic confinement, we place an attractive potential at the center of the box trap and find the same ordering: a balanced core and an imbalanced region farther from the center. No jump in polarization is observed, allowing us to exclude the existence of a first-order phase transition for any system above 0.04TF.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die Dynamiken, die aus starker Komprimierung von 2D-Fermigasen hervorgehen. Dabei wird untersucht, wie diese die Dynamik des Suprafluids beeinflussen und wie diese Anregungsmoden genutzt werden können, um Vielteilchensysteme zu untersuchen, allen voran Bose-Polaronen und imbalancierte Fermigase. Im ersten Teil werde ich zeigen, wie sich die Anregungsmoden des suprafluiden Ordnungsparameters durch Komprimierung verändern. Über Fallenmodulationsspektroskopie können wir die Amplitudenmode des Ordnungsparameters anregen, welche mit einer Schwingungsmode der Falle hybridisiert. Diese Hybridisierung kann durchgestimmt werden, indem die Energien der zwei Anregungsmoden über die Wechselwirkung verändert werden. Darüber hinaus zeige ich, dass die Schwingungsmode nahe der kritischen Temperatur des Superfluids verschwindet, was einen Indikator für Superfluidität liefert.

Im zweiten Teil erzeugen wir ein repulsives Bose-Polaron bei starker Wechselwirkung und eliminieren den dominanten Zerfallsprozess, der die Lebensdauer von Polaronen in Quantengasen normalerweise einschränkt. Wir erreichen dies, indem wir bosonische Feshbachmoleküle nutzen, die aus Fermionen bestehen und daher durch die Pauli-Blockade vor weiterem Zerfall geschützt sind. Die diskreten Energieniveaus aus der 2D-Falle werden dann als synthetischer Spin genutzt, indem das Bad im Grundzustand ist und Störstellen durch Anregen in höhere Zustände erzeugt werden. Über Fallenmodulations- und Braggspektroskopie charakterisieren wir das Polaron vollständig, indem wir Energie, Lebensdauer und effektive Masse messen. Unsere Beobachtungen werden von T-Matrix und quanten Monte Carlo Simulationen gestützt.

Im letzten Teil untersuchen wir spinimbalancierte 2D-Fermigase. Dabei erreichen wir Temperaturen, die mindestens einen Faktor zwei kälter sind als in vorherigen Experimenten, bei Polarisationen von bis zu P=0.2. Wir beobachten eine homogene Polarisation im ganzen System bei allen untersuchten Polarisationen und Wechselwirkungen. Wir stellen fest, dass sowohl die durch die 2D-Falle hervorgerufene Schwingungsmode des Kondensats als auch Wirbel bis weit in den Bereich starker Wechselwirkungen hinein bestehen bleiben, was ein deutlicher Hinweis auf Suprafluidität ist. Um unsere Beobachtungen mit vorherigen Experimenten in harmonischen Fallen zu verbinden, platzieren wir ein attraktives Potenzial im Zentrum der Boxfalle. Wie in vorherigen Experimenten bilden sich ein balancierter Kern und eine imbalancierte Region weiter außen. Ein Sprung in der Polarisation bleibt aus, was uns einen Phasenübergang erster Ordnung für alle Systeme mit Temperaturen über 0.04TF ausschließen lässt.