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Many-Body Pairing in a Two-Dimensional Fermi Gas

Neidig, Mathias

German Title: Vielkörper-Paarung in einem zweidimensionalen Fermi Gas

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Abstract

This thesis reports on experiments conducted in a single layer, quasi two-dimensional, two-component ultracold Fermi gas in the strongly interacting regime. Ultracold gases can be used to simulate key aspects of more complicated systems like for example cuprates which show high-Tc superconductivity. The momentum distribution of a sample of bosonic dimers in a quasi-2D square lattice geometry was measured to obtain the coherence properties. For shallow lattices, sharp peaks in the momentum distribution, indicating coherence, were observed at zero momentum as well as at positive and negative lattice momenta along each axis. For deeper lattices, heating impeded the ability to prepare a Mott-insulator. A spatially resolved radio-frequency spectroscopy was employed for a quasi-2D Fermi gas in the normal phase throughout the BEC-BCS crossover. The interaction induced energy shifts were measured in the strongly interacting region where they can be on the order of the Fermi energy and thus the local resolution is crucial. Furthermore, the onset of pairing in the strongly interacting region was measured as a function of temperature and it was shown that the fraction of free atoms decreases faster than expected from thermal non-interacting theory. At last, the pairing gap was measured using an imbalanced sample. On the BEC side it was found to be in very good agreement with two-body physics as expected. In the strongly interacting regime, however, a deviation from two-body physics indicates that here many-body effects play a role and thus further studies are required.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt Experimente die in einer einzelnen Lage eines quasi zweidimensionalen, zweikomponentigen ultrakaltem Fermi Gas im stark wechselwirkenden Bereich ausgeführt wurden. Ultrakalte Gase können benutzt werden um Schlüsselaspekte komplizierter Systeme wie zum Beispiel Kupraten, welche Hochtemperatursuperleitung zeigen, zu simulieren. Die Impulsverteilung einer Probe von bosonischen Dimeren in einer quasi-2D quadratischen Gittergeometrie wurde gemessen um die Kohärenzeigenschaften zu bestimmen. Für flache Gitter wurden steile Peaks, die auf Kohärenz hinweisen, in der Impulsverteilung sowohl bei Null-Impuls als auch bei positivem und negativem Gitterimpuls entlang jeder Achse gemessen. Für tiefere Gitter verhinderte Heizen die Präparation eines Mott-Insulators. Eine ortsaufgelöste Radiofrequenz-Spektroskopie wurde für ein quasi-2D Fermi Gas in der normalen Phase im gesamten BEC-BCS Übergangsbereich angewendet. Die durch Wechselwirkung hervorgerufene Energieverschiebung wurde im stark wechselwirkenden Bereich gemessen und gezeigt dass sie auf der Größenordnung der Fermi-Energie liegen kann, was die Ortsauflösung unabdingbar macht. Desweiteren wurde das Einsetzen der Paarung im stark wechselwirkenden Bereich als Funktion der Temperatur gemessen und es wurde gezeigt, dass der Anteil freier Atome schneller abnimmt als von einer thermischen, nicht-wechselwirkenden Theorie hervorgesagt. Als letztes wurde die Paarungslücke mithilfe einer nicht ausgeglichenen Probe gemessen. Auf der BEC-Seite waren die Ergebnisse in sehr guter Übereinstimmung mit der Zwei-Körper Physik. Im stark wechselwirkendem Bereich hingegen wurde eine Abweichung festgestellt die darauf hinweist dass hier Mehrkörperphysik eine Rolle spielt was weitere Untersuchungen rechtfertigt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jochim, Prof. Dr. Selim
Date of thesis defense: 24 May 2017
Date Deposited: 08 Jun 2017 09:33
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
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