Seit der ersten Realisierung von quantenentarteten Bose- und Fermi-Gasen in verdünnten atomaren Systemen haben diese zur Beobachtung einer langen Reihe von faszinierenden und teilweise unerwarteten Entdeckungen geführt. Ein weites Feld ist hierbei die Simulation von Effekten aus der Festkörpertheorie, wobei insbesondere ultrakalte Fermi-Gase, die die gleiche Quantenstatistik wie Elektronen haben, eine besondere Rolle spielen. Die beispiellose Kontrolle über alle experimentellen Parameter in Quantengasen erlaubt darüber hinaus die Untersuchung von völlig neuartigen Quantensystemen. Dazu gehören Ensembles mit hohem internen Spin, sowie Mischungen von bosonischen und fermionischen Teilchen.
Im Rahmen dieser Arbeit präsentiere ich Experimente, die zum ersten Mal umfassend die Physik von fermionischen Atomen in höheren Bändern eines optischen Gitters beleuchten, sowie die erste Untersuchung von Spin-Anregungen in Fermi-Gasen mit hohem Spin. In Verbindung mit beiden Systemen existiert eine Vielzahl weiterer theoretischer Vorschläge zur Erzeugung und Erforschung ungewöhnlicher Quantenphasen und neuartiger Nichtgleichgewichtsphysik. Daher sind die präsentierten Studien wegweisend und die Resultate legen eine bedeutende Grundlage für nachfolgende Experimente, die noch viele ungeklärte Fragen zu beantworten haben.
Im speziellen wurde in dieser Arbeit eine Methode zur Spektroskopie von ultrakalten Fermionen in optischen Gittern entwickelt. Diese Methode nutzt übergänge zu angeregten Bändern und wurde verwendet um die ersten voll impulsaufgelösten Messungen der Bandstruktur von quantendegenerierten Fermi-Gasen zu erzielen. Darüber hinaus wurden attraktiv wechselwirkende Bose-Fermi-Mischungen untersucht, in welchen zum ersten Mal auf direktem Wege eine wechselwirkungsinduzierte Lokalisierung der Fermionen nachgewiesen wurde. Die Lokalisierung resultiert aus einer Kopplung benachbarter Gitterplätze über Wechselwirkungsprozesse, was im Rahmen eines erweiterten Hubbard Modells erklärt werden kann.
Bei der Anregung von Atomen in höhere Bänder entstehen ebenso Löcher im untersten Band des Gitters. Dies resultiert aus dem fermionischen Charakter der untersuchten Teilchen. Die erste ausführliche Untersuchung beider Anregungen in ultrakalten Atomen wird im Rahmen dieser Arbeit präsentiert. Die untersuchten Prozesse weisen eine große Ähnlichkeit zur Photoleitung in herkömmlichen Isolatoren auf, wodurch sich eine neuartige Analogie zwischen der Festkörperpysik und ultrakalten Atomen ergibt.
Im weiteren wurden neuartige Fermi-Gase mit hohem internen Spin untersucht, welche in den letzten Jahren ein wachsendes Interesse erfahren. Es wurden hier zum ersten Mal die fundamentalen spinabhängigen Anregungen solcher Systeme untersucht. Dies wurde sowohl für harmonisch gefangene Vielteilchensysteme, als auch für Atompaare auf isolierten Gitterplätzen durchgeführt. Beide Systeme zeigen ein deutlich unterschiedliches Verhalten, jedes für sich stimmt jedoch mit den Resultaten theoretischer Modelle überein. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden die ersten kohärenten spin-ändernden Stöße zwischen ultrakalten Fermionen beobachtet, wobei zum ersten Mal überhaupt vielzahliger wechselwirkungsinduzierter Spin-überträg nachgewiesen werden konnte.
Das mikroskopische Verständnis von Wechselwirkungsprozessen legt den Grundstein für die Untersuchung von Vielteilcheneffekten, die in Hochspin-Systemen zu völlig neuartigen Phänomenen führen. Die Untersuchungen an harmonisch gefangenen Gasen erlauben einen ersten Einblick in dieses faszinierende Forschungsfeld. Hierbei wurde der Einfluss des hohen Spins auf kollektive Spin-Wellen Anregungen untersucht, was die erste Beobachtung von kohärenter Vielteilchen-Dynamik in solchen fermionischen Hochspin-Systemen darstellt.
Since the first realization of quantum degenerate Bose and Fermi gases in dilute atomic vapor, these systems led to a large number of fascinating and sometimes unexpected discoveries. A broad field in this context is the simulation of solid state theories, where especially fermionic systems play a major role, since they have the same quantum statistics as electrons. Beyond that, the unprecedented control over all experimental parameters using ultracold atoms allows for the realization of completely novel quantum systems. These include particles with high internal spins and mixtures of bosonic and fermionic particles.
In the frame of this thesis, I present experiments that thoroughly study the physics of fermionic atoms in excited bands of an optical lattices for the first time. In addition, the first investigation of spin-excitations in Fermi gases with a high spin larger than 1/2 is reported. In connection with these systems, a wealth of further proposals exists for the realization and study of unconventional quantum phases and novel nonequilibrium behavior. Therefore, the presented results pave the way towards further studies of these fascinating regimes, where many open questions are still to be answered.
In detail, a novel spectroscopy method for ultracold Fermi gases in optical lattices has been developed during this thesis. This technique employs transitions to excited bands and has been used for the first fully momentum-resolved measurement of the band structure for a fermionic quantum gas. Beyond that, it has been applied to attractively interacting Bose-Fermi mixtures, where a direct observation of an interaction induced localization of the fermionic atoms has been possible for the first time. This localization is produced by an offsite interaction, which can be described in an extended Hubbard model.
As the atoms are excited to the higher bands, they leave holes in the lowest energy band. This is a result of the fermionic character of the particles. The first comprehensive investigation of these particle and the hole excitations in the framework of ultracold atoms is presented in this thesis. The relevant processes prove to be in close analogy photoconductivity in conventional insulating solids, which results in a novel analogy between solid state physics and ultracold atoms.
Moreover, novel Fermi gases with high spin are studied, which are subject to an increasing interest in recent years. In this thesis, the fundamental spin excitations of such systems have been investigated for the first time. This has been done for harmonically trapped many-body systems, as well as for atom pairs on isolated lattice sites. Both systems show a clearly different behavior, whereas the results are in good agreement with the respective theoretical models. In the frame of these studies, the first coherent spin-changing collisions of ultracold fermions have been observed. This also led to the generally first observation of higher-order spin-exchange interactions.
The microscopic understanding of interaction processes is of high importance for the investigation of many-body phenomena, which introduce completely novel effects in high-spin systems. The investigation of the harmonically trapped high-spin gases allowed here for first insights into this fascinating field. Thereby, the influence of the high spin on collective spin-wave excitations has been investigated. This constitutes the first observation of coherent many-body dynamics in such fermionic high-spin systems.