Kurzfassung
In dieser Thesis stelle ich Experimente vor, in denen ich über einen Vergleich von 2D und 3D Fermigasen den Einfluss der Dimensionalität auf die Stabilität stark korrelierter Suprafluide untersucht habe. Dies ist ein Thema von hoher Relevanz, da die Kristallstruktur von allen bekannten Supraleitern mit sehr hohen kritischen Temperaturen zweidimensionale Schichten aufweist. Da es allerdings höchst nichttrivial ist, die Dimensionalität eines Festkörpers zu ändern, ist nach wie vor ungeklärt inwiefern die Stabilität dieser stark korrelierten 2D Suprafluide mit ihrer Dimensionalität zusammenhängt. Um solche Fragen beantworten zu können haben sich ultrakalte Fermigase als Modellsysteme etabliert. Diese Systeme ähneln Supraleitern in vielerlei Hinsicht, haben aber den großen Vorteil, dass ihre Wechselwirkung und Dimensionalität kontrolliert verändert werden können.
Um den Einfluss der Dimensionalität auf fermionische Suprafluidität zu untersuchen haben wir ultrakalte Fermigase sowohl in 2D als auch in 3D im gleichen Experiment erzeugt und damit homogene Systeme geschaffen, die in ihrer mikroskopischen Physik identisch sind bis auf die Einflüsse ihrer unterschiedlichen Dimensionalitäten. Um die Stabilität dieser Systeme zu quantifizieren haben wir ihr Anregungsspektrum mithilfe von Bragg-Spektroskopie über eine weite Spanne an Energien und Impulsen untersucht. Diese Messungen erlaubten uns, zum ersten Mal Suprafluidität in 2D Fermigasen nachzuweisen. Mithilfe der Bragg-Spektroskopie konnten wir eine endliche kritische Geschwindigkeit beobachten, unterhalb derer sich das Gas dissipationsfrei um eine Störung bewegte, und die Abhängigkeit dieser kritischen Geschwindigkeit von der Wechselwirkung und der Temperatur untersuchen. Unsere Bragg-Spektroskopie erlaubte uns, die vollen dynamischen Strukturfaktoren von 2D und 3D Fermigasen zu vermessen, in welchen der graduelle Wandel von bosonischer zu fermionischer Suprafluidität sichtbar wurde und aus welchen wir die Anregungslücke im 2D sowie im 3D BEC-BCS Übergang extrahieren konnten.
Diese Messungen ermöglichten uns, den ersten direkten Vergleich von 2D und 3D Fermigasen durchzuführen. Mithilfe von zwei äquivalenten Parametrisierungen der Wechselwirkung konnten wir unsere Messungen der Anregungslücke in 2D und 3D gegenüberstellen. Wir konnten beobachten, dass die Anregungslücke sowohl in 2D als auch in 3D der gleichen universellen Funktion der Wechselwirkungsstärke folgt, was impliziert, dass kein inherenter Unterschied in der Stabilität der suprafluiden Phase von 2D und 3D Fermigasen besteht. Diese Beoachtung galt auch weiterhin, als wir diesen Vergleich auf verschiedene Supraleiter ausdehnten, was darauf hindeutet, dass fermionischen Suprafluide im Allgemeinen wenig durch reduzierte Dimensionalität geschwächt werden.
In this thesis, I present experiments that directly compare superfluid 2D and 3D Fermi gases to study the effect of reduced dimensionality on the stability of strongly correlated superfluids and superconductors. As the highest critical temperatures for superconductivity are exclusively found in layered two-dimensional materials, this is a subject of broad and immediate interest. However, changing the dimensionality of solid state materials such as superconductors is a highly non-trivial task, and it is therefore still unclear to what extent the remarkable stability of these strongly correlated 2D superfluids is related to their reduced dimensionality. For this reason, ultracold Fermi gases have emerged as clean and tunable model systems that resemble strongly correlated superconductors in many aspects, but enable the interaction strength and dimensionality of the system to be changed nearly at will. To study the influence of reduced dimensionality on fermionic superfluidity, we therefore created such ultracold Fermi gases both in 2D and 3D in the same experimental setup, realizing homogeneous systems which are identical in their microscopic physics apart from the effects of their dimensionality. To quantify the stability of the superfluid phase in these systems, we probed their excitation spectrum over a wide range of momentum and energy using stimulated Bragg spectroscopy. Such measurements allowed us to firmly establish superfluidity in 2D Fermi gases for the first time. Using Bragg spectroscopy, we observed nonzero critical velocities below which the gas flows without friction. We investigated how the critical velocity depends on the interactions and the temperature of the system and found robust superfluidity over a wide range of interaction strengths. Our Bragg spectroscopy setup allowed us to obtain the full dynamic structure factor of 2D and 3D Fermi gases, revealing the smooth crossover between bosonic and fermionic superfluidity and allowing us to extract the superfluid gap. These measurements enabled us to perform the first direct comparison between 2D and 3D Fermi gases. We compared our measurements of the superfluid gap in 2D and 3D using two equivalent parameterizations of the interaction strength applicable to both dimensionalities. Remarkably, we found that the superfluid gap follows the same universal function of the interaction strength in both 2D and 3D, which suggests that there is no inherent difference in the stability of fermionic superfluidity between 2D and 3D Fermi gases. This trend held even as we expanded the comparison to include different superconducting materials, indicating that the superfluid phase is unexpectedly robust with regard to the reduced dimensionality in fermionic superfluids in general.