In dieser Arbeit wird ein experimenteller Aufbau zur Erforschung von ultrakaltem fermionischem lithium-6mit einstellbarer Wechselwirkungsstärke und Dimensionalität vorgestellt. Der Aufbau wird zur Untersuchung der Schallgeschwindigkeit vs und der suprafluiden kritischen Geschwindigkeit v_c im Übergang von Bose-Einstein Kondensation (BEC) zu Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Suprafluidität eingesetzt. Die Ergebnisse dienen als Richtwerte für Theorien zur Beschreibung stark korrelierter Systeme.
Um vc zu messen wird eine Störung, welche durch einen stark fokussierten Laserstrahl erzeugt wird, mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer Linie konstanter Dichte durch eine suprafluide Probe bewegt. Für Geschwindigkeiten größer als vc wird eine Erwärmung des Gases beobachtet. Die kritische Geschwindigkeit wird für verschiedene Wechselwirkungsstärken gemessen, wobei der BEC-BCS Übergang abgedeckt wird. Nach dem Landau Kriterium und der Bogoliubov Theorie sind vc und vs in einem Bose-Einstein-Kondensat eng miteinander verknüpft. Zur Messung von vs wird ein Dichteüberschusses im Zentrum der Probe erzeugt und die sich daraufhin ausbreitende Dichtemodulation beobachtet. Die beiden Geschwindigkeiten vc und vs werden bei ähnlichen Wechselwirkungsstärken und in ähnlichen Proben gemessen, um die Vergleichbarkeit sicher zu stellen.
Der Aufbau, welcher die ultrakalten Proben zur Verfügung stellt, ist ein zwei Kammer Design mit einer magneto-optischen Falle welche mittels eines Zeeman-Slowers geladen wird. Die darauffolgenden Kühlschritte sind rein optisch und erzeugen schlussendlich eine ultrakalte oblate Atomwolke innerhalb einer flachen Vakuumkammer. Diese bietet optimalen optischen Zugang und befindet sich zwischen zwei Mikroskopobjektiven mit hoher numerischer Apertur. Diese Objektive werden dazu genutzt, um die Proben in-situ auf Längenskalen zu untersuchen, welche den intrinsischen Längenskalen der Gase entsprechen. Gleichermaßen werden optische Dipolpotentiale eingesetzt, um die Wolken derselben kleinen Längenskala zu manipulieren. Die oblaten Proben sind so dünn, dass ihre Ausdehnung entlang der Mikroskop Achsen kleiner als die Tiefenschärfe der Objektive ist. Mittels eines zusätzlichen blau verstimmten optischen Gitters ist es möglich, einlagige zweidimensionale Gase zu erzeugen. An diesen werden zurzeit Experimente durchgeführt.
In this thesis an apparatus to study ultracold fermionic lithium-6 with tunable interaction strength and dimensionality is presented. The apparatus is applied to investigate the speed of sound vs and the superfluid critical velocity vc across the transition from Bose-Einstein condensation (BEC) to Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superfluidity. The results set benchmarks for theories describing strongly correlated systems.
To measure vc, an obstacle, that is formed by a tightly focused laser beam, is moved through a superfluid sample with a constant velocity along a line of constant density. For velocities larger than vc heating of the gas is observed. The critical velocity is mapped out for various different interaction strengths covering the BEC-BCS crossover. According to the Landau criterion and Bogoliubov theory, vc should be closely related to vs in a Bose-Einstein condensate. The measurement of vs is conducted by creating a density modulation in the centre of the cloud and tracking the excited modulation. The velocities vs and vc are measured in a similar range of interaction strengths and in similar samples to ensure comparability.
The apparatus which provides the ultracold samples is a two chamber design with a magneto-optical trap that is loaded via a Zeeman slower. The subsequent cooling steps are all-optical and finally create an ultracold oblate atom cloud inside a flat vacuum cell. This cell provides optimal optical access and is placed between two high numerical aperture microscope objectives. These objectives are used to probe the samples in-situ on length scales which are comparable to the intrinsic length scales of the gases. Similarly, optical dipole potentials are employed to manipulate the clouds on the same small length scales. The oblate samples are sufficiently flat such that there spatial extent along the microscope axes is smaller than the depth of field of the objectives. With an additional blue-detuned optical lattice it is possible to create single-layer two-dimensional gases on which presently experiments are being performed.