Kurzfassung
In dieser Arbeit werden Experimente mit drei- und zweidimensionalen fermionischen Lithium-6 Gasen vorgestellt, die einen lokalen Zugang auf die quantenmechanische Vielteilchenphysik erlauben.
Eine breite magnetische Feshbach-Resonanz erlaubt es uns, die Wechselwirkungsstärke frei einzustellen, um den gesamten BEC-BCS Übergangsbereich zu adressieren.
Wir messen die kritische Geschwindigkeit im Übergang von BEC- zu BCS-Suprafluidität, indem wir ein kleines attraktives Potential durch eine dreidimensionale Atomwolke bewegen. Die Ergebnisse werden verglichen mit theoretischen Vorhersagen. Dank numerischer Simulationen erlangen wir ein quantitatives Verständnis für die Messergebnisse im BEC-Bereich und können die Validität unserer Vorgehensweise untermauern. Von besonderem Interesse ist der Bereich starker Korrelationen, für den keine theoretischen Vorhersagen existieren. Dem Landau-Kriterium und der Bogoliubov-Theorie zu Folge, sollte die kritische Geschwindigkeit im BEC-Bereich eng verknüpft sein mit der Schallgeschwindigkeit. Diese messen wir, indem wir eine Dichtewelle anregen und ihre Propagation durch die Wolke verfolgen. Die Ergebnisse werden verglichen mit den gemessenen kritischen Geschwindigkeiten.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf unseren ersten Studien allgemeiner Eigenschaften von quasi zweidimensionalen Fermi Gasen. Den starken Einschluss der Gase realisieren wir mit einem eindimensionalen optischen Gitter. Dieses wird durch die Überlagerung zweier blau verstimmter Laserstrahlen unter steilem Winkel erzeugt. Durch den großen resultierenden Gitterabstand sind wir in der Lage, ein einzelnes, isoliertes Quantengas tief im zweidimensionalen Regime zu erzeugen. Wir präsentieren die ersten Messungen der Schallgeschwindigkeit in einem quasi-zweidimensionalem Gas im BEC-BCS Übergang. Außerdem zeigen wir vorläufige Ergebnisse der thermodynamischen Druck-Zustandsgleichung, welche wir aus in-situ Dichteprofilen extrahieren. Da die Schallgeschwindigkeit direkt mit der Zustandsgleichung verknüpft ist, bieten diese Messungen einen Vergleich mit den direkten Schallmessungen. Darüber hinaus leiten wir die Schallgeschwindigkeit aus den verfügbaren theoretischen Zustandsgleichungen ab und finden eine sehr gute Übereinstimmung mit kürzlich veröffentlichten numerischen Simulationen. Die Vorhersage einer erweiterten Molekularfeld-Theorie können wir widerlegen.
All diese Untersuchungen wurden mit einem neuem Experiment durchgeführt, dessen Aufbau Teil dieser Arbeit war. Mit einem rein optischen Kühlungs- und Transportschema erzeugen wir ultrakalte Gase, mit denen die eigentlichen Experimente schließlich in einer kleinen, separaten Vakuumkammer mit optimalem optischen Zugang durchgeführt werden. Über und unter dieser kleinen, separaten Vakuumkammer befinden sich zwei Mikroskop-Objektive mit hoher numerischer Apertur. Diese werden genutzt, um die präparierten Fermi gase in-situ abzubilden und auf Längenskalen zu untersuchen, die den intrinsischen Längenskalen der Gase entsprechen.
This thesis presents experiments on 3D and 2D ultracold fermionic lithium-6 gases providing local access to microscopic quantum many-body physics. A broad magnetic Feshbach resonance is used to tune the inter-particle interaction strength freely to address the entire BEC-BCS crossover.
We map out the critical velocity in the crossover from BEC to BCS superfluidity by moving a small attractive potential through the 3D cloud. We compare the results with theoretical predictions and achieve quantitative understanding in the BEC regime by performing numerical simulations, validating our approach. Of particular interest is the regime of strong correlations, where no theoretical predictions exist. In the BEC regime, the critical velocity should be closely related to the speed of sound, according to the Landau criterion and Bogoliubov theory. We measure the sound velocity by exciting a density wave and tracking its propagation along the cloud. The results are compared to the measured critical velocity.
The focus of this thesis is on our first experiments on general properties of quasi-2D Fermi gases. We realize strong vertical confinement by generating a 1D optical lattice by intersecting two blue-detuned laser beams under a steep angle. Due to the large resulting lattice spacing, we prepare a single planar quantum gas deeply in the 2D regime. The first measurements of the speed of sound in quasi-2D gases in the BEC-BCS crossover are presented. In addition, we present preliminary results on the pressure equation of state, which is extracted from in-situ density profiles. Since the sound velocity is directly connected to the equation of state, the results provide a crosscheck of the speed of sound. Moreover, we benchmark the derived sound from available equation of state predictions. We find very good agreement with recent numerical calculations and disprove a sophisticated mean field approach.
These studies are carried out with a novel apparatus which has been set up in the scope of this work. An all-optical cooling scheme and optical transport is employed to provide us with ultracold atomic clouds inside a separate small vacuum cell with optimal optical access. Above and below this cell, two high numerical aperture microscope objectives are placed to image and to probe the Fermi gases in-situ on length scales comparable to the intrinsic length scales of the gases.