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Titel: A novel Apparatus for Quantum Gas Microscopy of Lithium Atoms
Sonstige Titel: Eine neue Apparatur für die Quantengasmikroskopie mit Lithiumatomen
Sprache: Englisch
Autor*in: Kerkmann, Andreas
Schlagwörter: Quantengasmikroskopie; ultrakalte Atome; Optische Gitter; Akkordion-Gitter; Quantum Gas Microscopy; Optical lattices; Ultracold Atoms
GND-Schlagwörter: Quantengas; Bose-Einstein-Kondensation; Laserkühlung
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-12-03
Zusammenfassung: 
The behavior of quantum many-body systems in nature is often an issue of great
complexity. Hence, instead of describing those systems entirely, we tend to extract
particular phenomena of interest and to simulate them in accessible simplified quantum mechanical model systems.
Fortunately, the total availability of such model systems is not only restricted to
numerical models but there are many artificially prepared quantum systems. In
the field of ultracold quantum gases, experimentalists provide powerful tools for
preparing, manipulating and detecting quantum many-body systems.
A new scientific project in the group of Klaus Sengstock is setting up a modern and
versatile ultracold quantum gas experiment. It aims to prepare model systems for
simulating effects that play a role in attosecond science as well as to engineer quantum states with anyonic excitation that are e.g. relevant in studies of the fractional
quantum Hall effect.
Within the course of this first PhD thesis of the project, we built a novel apparatus
that is explicitly geared to allow quantum gas microscopy in the future as it will be
a powerful tool to analyze interesting correlations on a single particle level.
Our built apparatus includes a 2D-/3D-MOT loading scheme that we verify to work
for both stable isotopes of lithium. Due to this unconventional but compact way
of loading the atoms from a hot gas streaming out of an oven, we are able to omit
any transfer of the atoms after the trapping in a 3D-MOT. Thus, the 3D-MOT is already situated in a relatively small glass cell at the focus of an objective providing
sub-micron resolution that we characterize numerically and in a test setup to suit for
quantum gas microscopy.
As further manipulation steps, we implement gray molasses cooling that cools the
gas to sub-Doppler temperatures. It permits the loading of a far-detuned optical
dipole trap where we routinely perform all-optical evaporative cooling and reach
quantum degeneracy by realizing a Bose-Einstein condensate of weakly-bound 6Li
molecules.
As we require two-dimensional samples for our studies, we additionally implement
a red-detuned one-dimensional optical accordion for the dynamical and preferably
adiabatic squeezing of our gas within a single slice of that vertical lattice.
In order to image the atoms in that slice with single-particle resolution on a submicron level, we not only rely on an objective with high numerical aperture but also
on an additional optical lattice for pinning the atoms within the two-dimensional
plane during the emission of fluorescence photons. Here, we decided for a horizontal triangular lattice that is designed, characterized and adjusted onto the atomic
sample during the present thesis.

Das Verhalten von Quantenvielteilchensystemen in der Natur ist oftmals sehr komplex. Anstatt diese Systeme vollständig zu beschreiben, versuchen wir daher interessante Phänomene zu extrahieren und sie in zugänglichen, vereinfachten quantenmechanischen Modellsystemen zu simulieren.
Glücklicherweise beschränkt sich die Verfügbarkeit solcher Modellsysteme nicht nur
auf numerische Rechenmodelle, sondern es gibt viele künstlich herstellbare Quantensysteme. Auf dem Gebiet der ultrakalten Quantengase haben Experimentatoren
leistungsstarke Werkzeuge zur Herstellung, Manipulation und Detektion von künstlichen Quantenvielteilchensystemen zur Hand.
In einem neuen Projekt wird in der Forschungsgruppe von Klaus Sengstock ein
modernes und vielseitiges Experiment mit ultrakalten Quantengasen aufgebaut, das
darauf abzielt, eine neue Sicht auf quantenmechanische Modelle zu richten, die in
der Ultrakurzzeitphysik eine Rolle spielen, und ferner auch Quantenzustände mit
anyonischen Anregungen zu präparieren, die beispielsweise in Studien zum fraktionierten Quanten-Hall-Effekt relevant sind.
Im Rahmen dieser ersten Doktorarbeit an dem Projekt haben wir eine neuartige Maschine gebaut, die speziell darauf ausgerichtet ist zukünftig Quantengasmikroskopie
an Modellsystemen zu ermöglichen. Diese Technik zur Detektion wird für uns ein
leistungsfähiges Werkzeug sein, mit dem interessante Korrelationen auf der Basis
einzelner Konsituenten des Quantensystems analysiert werden können.
Die gebaute Maschine enthält ein 2D-/3D-MOT-Ladeschema, das für die beiden stabilen Lithiumisotope funktioniert. Hierbei werden die Atome aus einem heißen Gas,
das aus einem Ofen strömt, über eine 2D-MOT in eine 3D-MOT geladen. Diese Methode macht es möglich, einen weiteren Transport der Atome nach dem Einfangen in
einer 3D-MOT zu vermeiden. So befindet sich letztere bereits in einer relativ kleinen
Glaszelle im Fokus eines Objektivs, das eine Submikrometer-Auflösung ermöglicht.
Diese charakterisierten wir numerisch und in einem dafür geeigneten Versuchsaufbau hinsichtlich der Tauglichkeit zur Quantengasmikroskopie.
Nach der MOT führen wir in einem weiteren Manipulationsschritt eine Graue-Melasse-Kühlung durch, die das Gas auf Sub-Doppler-Temperaturen bringt. Dabei
erhöht sich die Phasenraumdichte, sodass das Laden einer weit verstimmten optischen Dipolfalle möglich ist. Hier führen wir routinemäßig eine rein optische Verdampfungskühlung durch und erreichen Quantenentartung, indem wir ein BoseEinstein-Kondensat aus 6Li Molekülen realisieren.
Da wir ein zweidimensionales Gas für unsere Studien benötigen, implementieren
wir ein rot-verstimmtes eindimensionales optisches Akkordeon, mit dem Ziel unser
Gas innerhalb einer einzelnen Schicht dieses vertikalen Gitters dynamisch und dennoch möglichst adiabatisch zu komprimieren.
Um die Atome in dieser Schicht mit Einzelteilchenauflösung im Submikrometerbereich abzubilden, setzen wir nicht nur auf ein Objektiv mit hoher numerischer
Apertur, sondern auch auf ein zusätzliches optisches Gitter, das die Atome in der
zweidimensionalen Ebene während der Emission von Fluoreszenzphotonen festhält.
Hier haben wir uns für ein horizontales Dreiecksgitter entschieden, das in der vorliegenden Arbeit entworfen, charakterisiert und auf die Atome justiert wurde.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6115
URN: urn:nbn:de:gbv:18-101727
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Sengstock, Klaus (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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