Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Verbesserungen an einer bestehenden Quantengasapparatur vorgenommen, um stark wechselwirkende
entartete Fermi-Gase zu erzeugen. Die Kontaktwechselwirkung kann
durch Einstellung des Magnetfeldes in der Nähe einer Feshbach-Resonanz eingestellt werden. Darüber hinaus können jeweils zwei fermionische Atome zu einem bosonischen Molekül assoziiert werden.
In dieser Arbeit werden die Eigenschaften dieser Feshbachmoleküle
über einen weiten Bereich von Wechselwirkungen untersucht, einschließlich des Regimes der Unitarität.
Zunächst wird das stark wechselwirkende Gas untersucht, indem quantenentartete, in einer Dipolfalle präparierte Ensembles einer eindimensionalen optischen Stehwelle ausgesetzt werden und Kapitza-Dirac-Streuungsexperimente im Bereich schwacher Kopplung durchgeführt
werden. Zur Beschreibung der beobachteten Impulspektren nicht
-wechselwirkender spin-polarisierter Gase wurde zunächst ein Einteilchenmodel der Atom-Lichtstreuung entwickelt. Dieses wurde dann mit den experimentellen Beobachtungen stark wechselwirkender Gase verglichen.
Im Hauptteil der vorliegenden Arbeit wurde das Gas einem zweidimensionalen bipartiten quadratischen optischen Gitter ausgesetzt,
welches die gezielte Besetzung ausgewählter höherer Bloch-Bänder
ermöglicht. Die Bindungsenergien für tiefe und flache Gitter von Feshbachmolekülen auf der BEC-Seite der Feshbach-Resonanz wurden mit einer Methode ermittelt, die der Massenspektrometrie ähnelt. Bei sehr tiefen optischen Gittern wurde erstmals eine durch Einschluss induzierte Resonanz im zweiten Bloch-Band beobachtet. Darüber hinaus wurden die Lebensdauern von Feshbachmolekülen gemessen, wobei die längsten Lebensdauern von bis zu 500 ms im ersten Bloch-Band und 150 ms im zweiten Bloch-Band festgestellt wurden. Diese langen Lebensdauern übertreffen alle anderen relevanten Zeitskalen im System, welches die Voraussetzung dazu bietet, langlebige Gleichgewichtszustände gepaarter fermionischer Atome in höheren Bändern zu untersuchen. Im Falle des zweiten Bloch-Bandes identifizieren wir einen zusätzlichen Relaxationskanal für große elastische Streulängen, der zu einem Zerfall in das erste Band und einem anschließenden Zerfall aus dem ersten Band führt. In Zukunft könnten die entwickelten Methoden genutzt werden, um BCS-Paare aus fermionischen Atomen mit unkonventioneller Ordnung zu realisieren.
In this thesis, improvements were made to an existing quantum gas apparatus to produce strongly interacting degenerate Fermi gases. The contact interaction can be tuned by adjusting the magnetic field in the vicinity of a Feshbach resonance. In addition, bosonic dimers consisting of two fermionic atoms can be created. In this work, the properties of these dimers are studied over a wide range of interactions, including the regime of unitarity. First, the gas is exposed to a one-dimensional standing wave and Kapitza-Dirac scattering experiments are performed in the weak coupling regime. From the observed momentum spectra of spin-polarised Fermi gases, a model describing the dynamics of atom-light scattering was developed. Although this model neglects the interaction, it has been applied to spectra of interacting Fermi gases with reasonable agreement. As the central focus of this work, the gas was exposed to a two-dimensional bipartite square lattice that provides access to a targeted population of selected excited Bloch bands. The binding energies for deep and shallow lattices of Feshbach dimers on the Bose-Einstein condensation (BEC) side of the Feshbach resonance were measured using a method resembling mass spectrometry. For very deep optical lattices, a confinement-induced resonance was observed in the second Bloch band, leading to two-body bound states on the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) side of the resonance. In addition, the lifetimes of Feshbach dimers were measured, finding the largest values of up to 500msec in the first Bloch band and 150msec in the second Bloch band exceeding all other relevant time scales of the system, creating favourable conditions for the study of long-lived equilibrium states. For experiments initialised in the second Bloch band, we identify an additional relaxation channel for large elastic scattering lengths, leading to a transfer to the first band and a subsequent decay from the first band. In the future, the developed methods could be used to study BCS pairs consisting of fermionic atoms with unconventional order parameters.