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Feshbach Resonances and Periodic Potentials in Ultracold Bose-Fermi Mixtures

Schuster, Tobias

German Title: Feshbach Resonanzen und periodische Potentiale in ultrakalten Bose-Fermi Mischungen

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten, stark korrelierte Quantensysteme anhand der Bose-Fermi Mischung von Natrium und Lithium experimentell umzusetzen, untersucht. Zu diesem Zweck wurden die intraspezies Wechselwirkung von Natrium sowie die interspezies Wechselwirkung zwischen Natrium und Lithium erforscht. Durch eine quantitative Analyse des Natrium Feshbach Resonanz Spektrums konnten wir dessen Wechselwirkungseigenschaften präzise bestimmen und insbesondere die Genauigkeit der Energie des letzten gebundenen Zustands um einen Faktor 50 erhöhen. Zur Untersuchung der interspezies Wechselwirkungseigenschaften haben wir einen allgemeingültigen Ansatz entwickelt, dessen Anwendbarkeit wir anhand der Natrium-Lithium Mischung zeigen konnten: Vorzeichen und Größe der Streulänge wurden bestimmt und dieser Wert verwendet, um die Energie des letzten gebundenen Zustands zu bestimmen, was als Ausgangspunkt für die Erklärung des gemessenen Feshbach Spektrums diente. Im Spezialfall Natrium-Lithium konnten wir 23 der 26 beobachteten Resonanzen als d-Wellen einordnen. Dieses unerwartete Ergebnis wurde durch eine Coupled-Channels Rechnung bestätigt, deren Resultate für die Wechselwirkungseigenschaften auch mit den unabhängig experimentell ermittelten Größen übereinstimmen. Als ergänzende Herangehensweise, um stark korrelierte Systeme zu untersuchen, haben wir unseren experimentellen Aufbau durch ein optisches Gitter ergänzt. Wir konnten Methoden, um die Bandbesetzung zu bestimmen und kohärent zu manipulieren, demonstrieren und den interspezies Energieübertrag auf verschiedene Weisen untersuchen. Die Gitterfrequenz wurde mit besonderem Augenmerk auf die erreichbare Genauigkeit bestimmt. Der ermittelte Wert in Kombination mit den Ergebnissen der Wechselwirkungsanalyse zeigt, dass Fröhlich Polaronen in der ultrakalten Bose-Fermi Mischung von Natrium und Lithium erfolgreich über den Anstieg in effektiver Masse detektiert werden könnten.

Translation of abstract (English)

This thesis investigates the possibilities to experimentally realize strongly correlated quantum systems by means of the sodium-lithium Bose-Fermi mixture. For that purpose, wehave studied the intraspecies interactions of sodium as well as the interspecies interactions within the mixture. With a quantitative analysis of the sodium Feshbach spectrum, we were able to refine its scattering properties and in particular improve the accuracy of the last bound state’s energy by a factor of 50. For determining the interspecies scattering properties, we developed a widely applicable approach, which we demonstrated by means of the sodium-lithium mixture: We obtained sign and magnitude of the scattering length experimentally and used this value to determine the last bound state energy, which served as the starting point for the explanation of the measured Feshbach spectrum. In the particular case of sodium-lithium we could assign 23 of 26 observed resonances as d-waves. This unexpected result was confirmed by a coupled-channels calculation, which also yielded scattering properties in good agreement with our experimental findings. As a complementary approach to study strongly correlated systems by directly tuning the interactions, we implemented an otical lattice into our system. Methods to map out the band population as well as coherently manipulate it were demonstrated and interspecies energy transfer was studied in different ways. We investigated the determination of the lattice frequency with regard to the achievable precision. The value obtained combined with the results from the interaction analysis show that in the ultracold Bose-Fermi mixture of sodium-lithium Fröhlich polarons could be observed succesfully via detecting the increase in effective mass.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oberthaler, Prof. Dr. Markus K.
Date of thesis defense: 20 June 2012
Date Deposited: 03 Jul 2012 14:02
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Feshbach Resonanzen , Optische Gitter , Bose-Fermi MischungFeshbach Resonances , Optical Lattices , Bose-Fermi Mixture
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