Titel: Lattice Clock Experiments with Interacting Fermionic Quantum Gases
Sonstige Titel: Gitteruhr-Experimente mit wechselwirkenden fermionischen Quantengasen
Sprache: Englisch
Autor*in: Sponselee, Koen Cornelis
Schlagwörter: Ultracold Quantum Gases; Fermionic Alkaline-Earth Atoms; Optical Lattices; Optical Atomic Clocks; Dissipation; High-Resolution Clock Spectroscopy
GND-Schlagwörter: Ultrakaltes Atom; Optische Uhr; Quantenmaterie; Atomphysik; Dissipation; Quanten-Zeno-Effekt
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-06-22
Zusammenfassung: 
Since the first creation of bosonic and fermionic quantum gases in the nineties, the field of ultracold atoms has expanded rapidly. Alkaline-earth(-like) atoms have been established as potent platforms for high-precision metrology and quantum simulations of strongly-interacting many-body physics. Due to their helium-like level structure, they feature a doubly-forbidden 1S0 to 3P0 transition, making them ideal for high-precision clock applications with current relative uncertainties reaching about 10^-18. The ultra-narrow clock transition further enables measuring atomic interactions directly, and control of the clock state is expected to pave the way for the quantum simulation of many-body models with orbital degrees of freedom such as the Kondo lattice model and the Kugel-Khomskii model, going beyond the paradigm of the much-studied Bose- and Fermi-Hubbard models. Furthermore, the SU(N) symmetry of the ground and excited clock state, caused by the decoupling of the nuclear from the electronic spin, has enabled studying many exotic phenomena such as SU(N) quantum magnetism and Pomeranchuk cooling in SU(N) Mott insulators. Additionally, ytterbium, the element used in this work, has seven stable isotopes, of which two are fermionic, enabling the study of a large variety of mixtures.

In this work, measurements with fermionic ytterbium in optical lattices are presented. The spin-exchanging interaction between the 1S0 ground and 3P0 excited state of 171-Yb was measured spectroscopically, paving the way for the quantum simulation of the anti-ferromagnetic Kondo lattice model. Furthermore, high-resolution spectroscopic measurements on interorbital SU(2)xSU(6)-symmetric Fermi-Fermi mixtures of 171e-Yb-173g-Yb and 171g-Yb-173e-Yb are described, which provide, among others, a benchmark for accurate ground-excited state Yb2 molecular models and a possible platform to study two-flavour symmetry-locking phases. Lastly, measurements on the 1D dissipative Fermi-Hubbard model are presented, where the two- and six-spin mixtures of 173-Yb show a dynamic inhibition of two-body losses. We attribute this to the formation of a highly-entangled Dicke state, which is protected from further decay by the continuous quantum Zeno effect, and which has optimal metrological properties enabling beating the standard quantum limit and reaching Heisenberg-limited spectroscopy.

Seit der ersten Realisierung von bosonischen und fermionischen Quantengasen, erlebte das Feld der ultrakalten Atome eine schnelle Entwicklung. Erdalkali(-ähnliche) Atome etablierten sich als nützliche Systeme für hoch präzise Metrologie und die Quantensimulation von stark wechselwirkenden Vielteilchensystemen. Aufgrund ihrer Helium-ähnlichen Energieniveaustruktur haben diese einen zweifach verbotenen 1S0 nach 3P0 Übergang, was sie ideal macht für hochpräzise Uhrenanwendungen mit relativen Ungenauigkeiten bis zu ungefähr 10^-18. Der ultraschmale Uhrenübergang ermöglicht zusätzlich das direkte Messen von atomaren Wechselwirkungen und die Kontrolle über den Uhrenzustand eröffnet neue Möglichkeiten für die Quantensimulation von Vielteilchenmodellen mit orbitalen Freiheitsgraden wie dem Kondo Gitter Modell und dem Kugel Kugel-Khomskii Model, welche über das Paradigma der intensiv erforschten Bose- und Fermi-Hubbard Modelle hinausgehen. Darüber hinaus besitzen der Grund- und angeregte Uhrenzustand aufgrund der Entkopplung des nuklearen und elektronischen Spins eine SU(N)-Symmetrie, was die Erforschung von vielen exotischen Phänomenen zur Folge hat, wie etwa dem SU(N)-Quantenmagnetismus und der Pomeranchuk-Kühlung in SU(N) Mott-Isolatoren. Zusätzlich besitzt Ytterbium, das Element welches in dieser Arbeit verwendet wird, sieben stabile Isotope, wovon zwei fermionisch und fünf bosonisch sind und daher die Forschung einer großen Anzahl an Mischungen ermöglicht.

In diesem Werk werden Messungen mit fermionischem Ytterbium in optischen Gittern präsentiert. Die Spin-Austauschwechselwirkungen zwischen dem 1S0 Grund und 3P0 angeregten Zustand von 171-Yb werden spektroskopisch gemessen, welche wichtig für die Quantensimulation des antiferromagnetischen Kondo Gitter Modells sind. Außerdem werden hoch-präzise Spektroskopie-Messungen an interorbitalen SU(2)xSU(6) symmetrischen Fermi-Fermi Mischungen beschrieben, die unter anderem als Grundlage für zukünftige Yb2 Molekülmodelle dienen können und eine mögliche Plattform für die Erforschung von zwei-flavour Symmetrie-fixierten Phasen darstellen. Abschließend werden Messungen an dem 1D dissipativen Fermi-Hubbard Modells präsentiert, bei dem die zwei und sechs Spin-Mischungen von 173-Yb eine dynamische Unterdrückung der Zweikörperverluste erfahren. Wir schreiben dies der Entstehung eines hoch verschränkten Dicke-Zustandes zu, welcher vor weiterem Zerfall durch den kontinuierlichen Quanten-Zeno-Effekt geschützt wird. Diese Dicke-Zustände haben optimale metrologische Eigenschaften, die es ermöglichen das Standard-Quantenlimit zu brechen und das Heisenberg-Limit zu erreichen.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9146
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-94354
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Sengstock, Klaus
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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