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Deterministic preparation of a tunable few-fermion system

Serwane, Friedhelm

German Title: Deterministische Präparation eines einstellbaren Systems aus wenigen Fermionen

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Abstract

This thesis reports on the preparation of a tunable few-fermion system using ultracold 6Li atoms in an optical dipole trap. We prepare ground state systems consisting of 1 to 10 fermions with fidelities of ~90%. This system has the unique property that key parameters such as particle number, inter-particle interactions and external confining potential are tunable. We use this model system to explore two interacting atoms confined in a one-dimensional potential. For increasing repulsion we measure a decrease of the tunneling time of one atom through a barrier which is created by tilting the potential. From the measured tunneling time we calculate the interaction energy of the system using the WKB technique. This requires detailed knowledge of the confining potential, which we obtain by controlling the motional quantum state of a single atom in the trap. To increase the preparation fidelity of the few-particle systems a high-resolution objective has been designed during this thesis. It will allow us to explore tunable quantum systems in two and three dimensions confined in arbitrary potentials. Because of its great tunability our model system is uniquely suited to explore strongly correlated few-fermion systems, which is one of the major challenges of modern physics.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt die Präparation eines einstellbaren Quantensystems bestehend aus wenigen Fermionen unter Verwendung von ultrakalten 6Li Atomen in einer optischen Dipolfalle. Wir präparieren Systeme im Grundzustand bestehend aus 1 bis 10 Fermionen mit einer Präparationswahrscheinlichkeit von ~90%. Unser System hat die einzigartige Eigenschaft, dass entscheidende Parameter wie Teilchenzahl, Wechselwirkungen zwischen den Teilchen sowie das äußere Fallenpotential einstellbar sind. Wir verwenden dieses Modellsystem, um zwei wechselwirkende Atome in einem eindimensionalen Fallenpotential zu untersuchen. Bei zunehmender Abstoßung wird ein Abfall der Tunnelzeit eines Atoms durch eine Tunnelbarriere nachgewiesen, welche durch Kippen des Potentials erzeugt wird. Aus der gemessenen Tunnelzeit berechnen wir die Wechselwirkungsenergie des Systems unter Verwendung der WKB-Näherung. Dazu ist eine genaue Kenntnis des Fallenpotentials erforderlich. Dieses bestimmes wir, indem wir den Quantenzustand der Bewegung eines einzelnen Atoms in der Falle kontrollieren. Um die Präparationswahrscheinlichkeit der Wenigteilchensysteme zu erhöhen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein hochauflösendes Objektiv entwickelt. Dies wird uns ermöglichen, einstellbare Quantensysteme in zwei und drei Dimensionen in beliebigen Fallenpotentialen zu erforschen. Aufgrund dieses hohen Maßes an Einstellbarkeit eignet sich unser System auf einzigartige Weise Systeme, die aus wenigen wechselwirkenden Fermionen bestehen, zu erforschen, welches eine der großen Herausforderungen der modernen Physik darstellt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jochim, Prof. Dr. Selim
Date of thesis defense: 2. November 2011
Date Deposited: 16. Jan 2012 15:02
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Fermion, Quantengas, Quantenmechanisches System, Laserkühlung, Dipolfalle, Vielteilchensystem, WKB-Methode, Tunneleffekt, Objektiv
Uncontrolled Keywords: Wenigteilchensystem , mesoskopisch , Quantensimulator , Designer Atom , künstliches Atomdesigner atom , artificial atom , few-fermion , mesoscopic quantum system , quantum simulator
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