A New Apparatus for Quantum Simulation with Degenerate Mixtures of Erbium and Lithium

Abstract

Die Quantensimulation ist ein leistungsstarkesWerkzeug zur Untersuchung hoch korrelierter Systeme. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung experimenteller Daten in Szenarien, in denen numerische Methoden die Komplexität von Vielteilchenproblemen nicht zuverlässig bewältigen können. In den letzten zehn Jahren haben Plattformen mit ultrakalten atomaren Gasen ihre Vielseitigkeit und Eignung als Quantensimulatoren unter Beweis gestellt. Heute liegt ein zentraler Schwerpunkt auf dem Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung auf mikroskopischer Ebene, wo die Fermi-Flüssigkeitstheorie und die Beschreibung der Supraleitung durch Cooper-Paare versagen. Ironischerweise sind ultrakalte Atomplattformen trotz ihrer niedrigen absoluten Temperaturen immer noch zu heiß, um das gesamte Fermi-Hubbard-Phasendiagramm zu untersuchen. Es werden weiterhin neue Wege zur Senkung der Temperaturen erforscht, um bisher unzugängliche Bereiche zu erkunden. In dieser Arbeit wird ein neues Quantengas-Experiment mit 166Er-6Li vorgestellt und die ersten experimentellen Ergebnisse präsentiert. Die Apparatur wird detailliert beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf den Er-Subsystemen liegt. Die verschiedenen Kühlstufen werden charakterisiert: Die Zeeman-Kühlung- und die “Angled slowing”, die in Kombination mit einer schmalbandigen magneto-optischen Falle verwendet werden, bilden den Ausgangspunkt. Der anschließende Transfer in eine optische Dipolfalle und der Transport über große Entfernungen mit einem optischen Gitter werden ebenfalls detailliert beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf dem Design und der Charakterisierung der Transportvorrichtung liegt. Die transportierten Atome werden in eine zweite optische Dipolfalle übertragen, die in einer Glaszelle localiziert ist, dort wird anschließend die exakte Vermessung einter tune-out Wellelänge von Er vorgenommen. Die Anisotropie der Ausstimmung wurde verwendet, um den Tensorwert der Polarisierbarkeit von Er zu bestimmen. Der dissipationsfreie Charakter der Falle wurde durch Lebensdauermessungen beider Spezies in ihren jeweiligen Fallen bestätigt. Schließlich wird über die erste Herstellung einer quantenentarteten Mischung aus 166Er und 6Li berichtet, die die Effizienz der sympathischen Kühlung von Li durch Er demonstriert. Dieses Ergebnis markiert den ersten Meilenstein für dieses Experiment, das darauf abzielt, mit einem Fermi-Gas ein bisher unerreichtes Maß an Entartung zu erreichen.

Quantum simulation is a powerful tool for the investigation of strongly correlated systems. Its role is critical to provide experimental data in scenarios where numerical methods cannot reliably handle the complexity of the many-body problems. Over the past decade, ultracold atomic gases platforms have demonstrated their versatility and suitability as quantum simulators. Today, a central point of interest is the understanding of high-temperature superconductivity on the microscopic scale, where the Fermi liquid theory and description of superconductivity by Cooper pairs break down. The governing Fermi-Hubbard model, which describes the behaviour of fermions in a lattice such as the electrons in a solid, is now implemented in quantum simulators built with cold atoms. Ironically, despite their low absolute temperatures, ultracold atoms platforms are sill too hot to probe the entire Fermi-Hubbard phase diagram. New routes to lower temperatures are still being explored, striving to reach previously inaccessible regimes. In this thesis, a new quantum-gas experiment of 166Er-6Li is presented along with the first experimental results. The apparatus is described in detail with a focus on the Er subsystems. The different cooling stages are characterized: the Zeeman slower and Angled Slowing stages, used in combination with a narrow-line magneto-optical trap form the starting point. The subsequent loading in an optical dipole trap and long-range transport with an optical lattice are also detailed, with an emphasis on the design and performance of the transport setup. The transported atoms are transferred in a second optical dipole trap built in a glass cell, where the measurement of Erbium’s tune-out wavelength was performed. The anisotropy of the tune-out was used to extract the tensor value of Er’s polarizability. The dissipationless character of the trap was confirmed by lifetime measurements of both species in their respective traps. Finally, the first production of a quantum-degenerate mixture of 166Er and 6Li is reported, demonstrating the efficiency of the sympathetic cooling of Li by Er. This results marks the first milestone for this experiment, in its pursuit of reaching unprecedented levels of degeneracy with a Fermi gas.