Degenerate Fermi gases in higher Bloch bands of a bipartite optical square lattice

Abstract

Optical lattices present a powerful toolbox for simulating a variety of condensed-matter problems in which neutral atoms moving in periodic light potentials emulate the role of electrons moving in a solid. Since it is possible to tune almost every system parameter over a broad range, this gives rise to approach yet unsolved questions experimentally. An example of this is the ground state phase diagram of the fermionic Hubbard model and its possible significance for high Tc superconductivity. A new aspect explored in this thesis is the combination of using fermionic atoms in an optical lattice with an accessible orbital degree of freedom.

This thesis presents the experimental results from the first successful excitation of degenerate Fermi gases into selected higher Bloch bands of a bipartite optical square lattice. After adiabatically loading a degenerate Fermi gas with an initial temperature as low as 0.18TF into a shallow optical lattice, the atoms occupy the fermionic many-body ground state of the system and fill the entire first Bloch band. Extending the established technique, referred to as population swapping, to the case of fermionic ensembles enables the successful loading of higher Bloch bands, namely the 2nd, 4th and 7th. Band populations and momentum distributions were recovered using standard methods referred to as band mapping and time-of-flight imaging. The broken rotational symmetry of the momentum distribution thereby directly reveals the orbital character of higher bands.

The lifetime of fermionic samples prepared in the second Bloch band is observed and band index changing processes are identified. In the case of spin polarised and thus noninteracting Fermi gases a lifetime of up to 21 s in the second band is observed. Preparing an interacting two spin component mixture instead yielded lifetimes of 2.6 s and gave valuable insights into interband relaxation processes associated with collisions and heating.

Optische Gitter stellen einen vielseitigen Werkzeugkasten zur Simulation einer Vielzahl von Festkörperproblemen dar, indem sich durch ein periodisches Lichtpotential bewegende neutrale Atome die Rolle von Elektronen in realen Festkörpern imitieren. Die Möglichkeit fast jeden relevanten Systemparameter über einen weiten Bereich verändern und präzise einstellen zu können ermöglicht somit sich bisher unbeantworteten Fragestellungen, wie der Ursache der Hochtemperatursupraleitung, experimentell nähern zu können. Einer dieser veränderbaren Parameter ist der orbitale Freiheitsgrad.

Diese Dissertation präsentiert experimentelle Ergebnisse der erstmalig gelungenen selektiven Anregung von entarteten Fermigasen in höhere Bloch Bänder eines quadratischen optischen Gitters mit zweiatomiger Basis. Nachdem ein entartetes Fermigas mit einer Initialtemperatur von bis zu 0.18TF in ein flaches optisches Gitter geladen wurde besetzen die Atome den fermionischen Mehrteilchengrundzustand und füllen das gesamte erste Bloch-Band auf. Eine Populations Transfer genannte Technik zunächst entwickelt um bosonische Ensemble in höhere Bänder anzuregen konnte dabei erfolgreich auf fermionische Ensemble erweitert werden, sodass ein entartetes Fermigas effizient in das zweite, vierte und siebte Bloch-Band angeregt werden konnte. Mittels Bandkartografie wird anschließend die Bandbesetzung aufgelöst. Abbildung des atomaren Ensembles nach ballistischer Expansion ermöglicht den orbitalen Freiheitsgrad der präparierten Zustände direkt aufzulösen, welcher sich in der gebrochenen Rotationssymmetrie zeigt.

Die Lebensdauern von fermionischen Ensembles, welche zunächst in das zweite Bloch-Band angeregt wurden, werden vermessen und die relevanten Band-Index verändernden Prozesse identifiziert. Im Fall von spinpolarisierten und daher nichtwechselwirkenden Fermigasen ergab sich eine Lebensdauer von 21 s. Wird stattdessen ein Gemisch von wechselwirkenden Zeeman Subzuständen bestehendes Fermigas im zweiten Band präpariert, ergibt sich eine Lebensdauer von 2.6 s. Mittels dieser Untersuchung konnten stoßinduzierte Zerfallsprozesse sowie Heizprozesse identifiziert und quantifiziert werden.