An ideal Josephson junction in an ultracold two-dimensional Fermi gas

Abstract

Achieving a better understanding of strongly correlated quantum systems is a fascinating scientific endeavour which could provide the basis for the construction of novel materials with unprecedented properties such as room-temperature superconductors. Of particular interest are strongly correlated two-dimensional (2D) systems which are present in almost all known superconductors with high critical temperatures. However, even after decades of research the origin for such unconventional superconductivity is still under debate. Ultracold 2D Fermi gases have emerged as clean and controllable model systems to simulate such strongly correlated 2D quantum states, but so far superfluidity has not been directly observed in these systems.

In this thesis, I report on the realisation of a Josephson junction in an ultracold 2D Fermi gas which clearly demonstrates phase coherence and provides strong evidence for superfluidity. We measure the frequency of Josephson oscillations as a function of the phase difference across the junction and find excellent agreement with a sinusoidal current-phase relation. This result shows that the Josephson junction is well described as an ideal tunnel junction whose critical current is directly linked to the wave function overlap of the coupled superfluids. We determine this critical current in the crossover from tightly bound molecules to weakly bound Cooper pairs and thereby realize a probe for 2D superfluidity in the strongly correlated regime.

This accomplishment of an ideal Josephson junction was enabled by various experimental advances in the preparation, manipulation and characterisation of ultracold Fermi gases - in particular by our realisation of homogeneous 2D systems - which were achieved during the course of this thesis and make our system an ideal platform to gain further insight into the nature of strongly correlated 2D quantum matter.

Ein besseres Verständnis stark korrelierter Quantensysteme zu entwickeln ist eine faszinierende wissenschaftliche Herausforderung, welche die Konstruktion neuartiger Materialien mit einzigartigen Eigenschaften, wie z.B. Raumtemperatur-Supraleitern, ermöglichen könnte. Von besonderem Interesse sind stark korrelierte zweidimensionale (2D) Systeme, welche in fast allen Supraleitern mit den höchsten kritischen Temperaturen zu finden sind. Selbst nach jahrzehntelanger Forschung wird immer noch über den Ursprung solch unkonventioneller Supraleitung debattiert. Ultrakalte 2D Fermigase sind ideale Modellsysteme um stark korrelierte 2D Quantenzustände in einer sauberen und gut kontrollierten Umgebung zu simulieren. Bislang gibt es jedoch keinen direkten Nachweis von Suprafluidität in diesen Systemen.

In dieser Arbeit wird die Realisierung eines Josephson-Kontakts in einem ultrakalten 2D Fermigas präsentiert und damit ein klarer Nachweis für Phasenkohärenz und starke Evidenz für Suprafluidität in diesem Gas erbracht. Wir messen die Frequenz der Josephson Oszillationen als Funktion der Phasendifferenz am Josephson-Kontakt und finden eine hervorragende Übereinstimmung mit einer sinusoidalen Strom-Phasen-Beziehung. Dieses Resultat zeigt, dass der Josephson-Kontakt als idealer Tunnel-Kontakt beschrieben werden kann dessen kritischer Strom direkt vom Wellenfunktionsüberlapp der gekoppelten Suprafluide bestimmt wird. Wir messen diesen kritischen Strom im Übergang von tief gebundenen Molekülen zu schwach gebundenen Cooper Paaren und untersuchen damit 2D Suprafluidität im stark korrelierten Regime.

Diese Realisierung eines idealen Josephson-Kontakts wurde durch zahlreiche experimentelle Fortschritte im Bereich der Erzeugung, Manipulation, und Charakterisierung von ultrakalten Fermigasen ermöglicht - insbesondere durch unsere Realisierung von homogenen 2D Systemen - welche im Rahmen dieser Arbeit erreicht wurden und unser System als ideale Plattform etablieren, um weitere Einblicke in die Natur stark korrelierter 2D Quantenmaterie zu gewinnen.