Kurzfassung
Diese Arbeit dokumentiert die erstmalige Erzeugung und Untersuchung von homogenen, ultrakalten, zwei-dimensionalen (2D) atomaren Fermi-Gasen.
Eine notwendige Voraussetzung für die Erzeugung homogener 2D Systeme war die Entwicklung eines optischen Ring-Potentials, welches die Atome in radialer Richtung einschließt und mit Hilfe von drei Axikonen erzeugt wird.
Die Fähigkeit, quasi beliebige optische Potentiale mittels eines digitalen Mikrospiegel-Arrays auf die Atome zu projizieren, eröffnete die Möglichkeit, die Zustandsgleichung eines homogenen, idealen Fermi-Gases und damit seine Temperatur zu messen.
Für die präzise Messung der Zustandsgleichung war die Entwicklung einer neuen Methode zur Kalibrierung von Absorptionsabbildungen bei hoher Abbildungsintensität ausschlaggebend.
Die Untersuchung der in-situ Dichteverteilungen dieser Systeme wurde ergänzt durch Messungen der Impulsverteilung von Li Fermi-Gasen im Übergangsbereich von BKT-Superfluidität zu BCS-Paarung.
Dafür wurde eine Technik genutzt Materie-Wellen zu fokussieren, um eine eindeutige Abbildung des Impulsraumes auf den Ortsraum zu ermöglichen.
Die Pauli-Blockade in einem nicht wechselwirkenden Fermi-Gas konnte direkt in der Einfachbesetzung von Einteilchen-Zuständen im Impulsraum beobachtet werden.
Im Gegensatz dazu wurde für ein stark wechselwirkendes Gas aus 6Li2 Dimeren, die einen bosonischen Charakter haben, eine makroskopische Population von Moden mit niedrigen Impulsen gemessen.
Die Möglichkeit sowohl die Orts- als auch die Impulsverteilung der 2D Gase zu messen ist der ideale Startpunkt für weitere Studien wie z.B. die Untersuchung von Cooper-Paar-Korrelationen im Impulsraum.
This thesis reports on the first experimental realization and study of homogeneous ultracold two-dimensional atomic Fermi gases. The atoms are confined radially by a ring potential which is generated using a novel optical setup consisting of three axicons. With the ability to imprint arbitrary potentials using a digital micromirror device (DMD), the 2D samples can be manipulated locally, allowing to measure the equation of state (EOS), and thus the temperature, of a homogeneous ideal Fermi gas. For the measurement of the EOS the development of a new and robust method to calibrate high intensity absorption imaging was crucial. The in-situ density measurements were complemented by investigating the momentum distribution of 6Li Fermi gases in the crossover ranging from the BKT-phase to BCS-superfluidity. This was facilitated by the implementation of a procedure to map momentum-space to position-space for both, non-interacting and interacting gases, using matter wave focusing. For a non-interacting Fermi gas, Pauli blocking was directly witnessed in the unity occupation of single particle momentum states, while a strongly interacting gas of bosonic 6Li2 dimers featured a macroscopic occupation of low momentum modes. The ability to accurately measure both, the position- and the momentum-space distribution, represents an ideal starting point for further investigations such as the study of Cooper-pair correlations in momentum space.