Probing Interactions in Ytterbium Fermi Gases and Mixtures Using the Optical Clock Transition

Abstract

Ultracold quantum gases in optical lattices constitute a versatile tool for quantum simulation of strongly correlated many-body systems. Alkaline earth(like) elements such as strontium or ytterbium possess an ultranarrow optical transition from the electronic ground state 1S0 to the metastable state 3P0 that might serve as a frequency standard for time-keeping. High-resolution spectroscopy on the optical ‘clock’ transition is a powerful analysis tool and allows to resolve interaction-induced energy shifts in a lattice system. The population of the metastable state 3P0 can conveniently be controlled by the means of resonant clock laser light and due to its long lifetime, it can be regarded as an additional degree of freedom for quantum simulation and might be used to realize multi-band Hubbard models. In this thesis I present spectroscopic measurements mainly conducted with ytterbium quantum gases and Fermi-Fermi mixtures of both fermionic isotopes 171Yb and 173Yb. We coherently address the metastable state 3P0 using a clock-laser at 578 nm characterized by a narrow laser linewidth of approximately one Hertz. By performing clock-spectroscopy in a 3D magical optical lattice at 759 nm we are able to drive intra- and interband transitions and reach a maximum resolution of 26.7(2.4) Hz for a non-band changing transition. The high spectroscopic resolution allows resolving shifts of the clock transition that are induced by interactions between atom pairs. We determine interisotope interorbital interactions in ytterbium Fermi-Fermi mixtures and directly proof the SU(2) ⊗ SU(6) symmetry of the interactions. In two spin component gases of 171Yb the antisymmetry required for the two-particle wave function of two indistinguishable fermions can be realized by a orbitally symmetric spin singlet or an orbitally antisymmetric spin triplet state. Both states are characterized by their own molecular potentials giving rise to an interorbital spin-exchange interaction that spectroscopically is characterized and found to be antiferromagnetic. The antiferromagnetic spin-exchange interaction together with the vanishingly small ground state interaction renders 171Yb a promising candidate for quantum simulation of Kondo lattice type physics in state-dependent optical lattices. Using 171Yb in both orbital states a state-dependent optical 1D lattice at wavelength of λ_SDL = 660 nm is characterized. In a first set of measurements, we observe spin-exchange dynamics in the state-dependent optical lattice which can be considered a first step towards quantum simulation of multi-band Hubbard models.

Ultrakalte Atome in optischen Gittern stellen ein vielseitiges Werkzeug zur Quantensimulation stark korrelierter Vielteilchensysteme dar. Erdalkali bzw. erdalkaliähnliche Elemente wie Strontium oder Ytterbium besitzen einen ultraschmalen optischen Übergang vom elektronischen Grundzustand 1S0 zum metastabilen Zustand 3P0, welcher sich als Frequenzstandard zur Zeitmessung eignet. Hochauflösende Spektroskopie auf dem optischen ”Uhren-Übergang” ist eine sensible Analysemethode, die es ermöglicht Energiedifferenzen, die durch die Wechselwirkung mehrerer Atome in einem optischen Gitter induziert werden, zu messen. Die Besetzung des metastabilen Zustands kann durch resonantes Laserlicht zuverlässig kontrolliert werden. Aufgrund der langen radiativen Lebensdauer stellt der metastabile Zustand einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar, der für die Quantensimulation von multiband Hubbard Modellen oder die Realisierung dissipativer System genutzt werden kann. In dieser Arbeit präsentiere ich spektroskopische Messungen die mit Fermigasen und Fermi-Fermimischungen beider fermionischer Ytterbium Isotope 171Yb und 173Yb durchgeführt wurden. Mit Hilfe eines Uhrenlasers, der eine Laserlinien-Halbwertsbreite von etwa einem Hz aufweist, wird der metastabile Zustand kohärent angeregt. In einem dreidimensionalen optischen Gitter bei der magischen Wellenlänge λ_mag = 759 nm können Intra- und Interbandübergänge zwischen verschiedenen Bloch-Bändern getrieben werden. Für einen Intrabandübergang wird eine maximale spektroskopische Auflösung erreicht, die einer spektroskopischen Halbwertsbreite von 26.7(2.4) Hz entspricht. Unter Ausnutzung der hohen spektroskopischen Auflösung werden interisotop Zweiteilchenwechselwirkungen in Ytterbium Fermi-Fermimischungen charakterisiert und die der Wechselwirkung zugrunde liegende SU(2) ⊗ SU(6) Symmetrie direkt gezeigt. Interorbitale Paare von zwei 171Yb Atomen mit gegensätzlichem Spin können entweder durch einen symmetrischen orbitalen und antisymmetrischen Spinzustand oder antisymmetrischen orbitalen und symmetrischen Spinzustand beschrieben werden. Die Spinaustauschwechselwirkung zwischen dem Spinsingulett und Spintriplettzustand wird ebenfalls spektroskopisch vermessen und als antiferromagnetisch identifiziert. Aufgrund der antiferromagnetischen Spinaustauschwechselwirkung und der verschwindend geringen Grundzustandswechselwirkung ist 171Yb ein vielversprechender Kandidat für die Quantensimulation von Kondo-Gitterphysik in zustandsabhängigen optischen Gittern. Mit Hilfe von 171Yb in beiden orbitalen Zuständen wird ein zustandsabhängiges Gitter bei einer Wellenlänge von λ_SDL = 660 nm charakterisiert. In einem ersten Schritt in Richtung der Quantensimulation von multiband Hubbardmodellen wird Spinaustauschdynamik im zustandsabhängigen Gitter beobachtet.