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From two-body to many-body physics in an ultracold Bose-Fermi mixture of Li and Cs atoms

Häfner, Stephan Andreas

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Abstract

This thesis reports on scattering experiments performed with an ultracold mixture of fermionic 6Li and bosonic 133Cs atoms, studying two-, few-, and many-body effects in a highly mass-imbalanced system. To this end, the existing apparatus for the creation of ultracold gases is extended and improved by gray molasses cooling of 6Li and high-resolution absorption imaging. s-, p-, and d-wave Feshbach resonances in the two energetically lowest hyperfine channels are detected via atom-loss and binding energy spectroscopy. These measurements in combination with the coupled channels modeling provide a ten-fold improved parametrization of the interspecies s-wave scattering length and precise determination of the LiCs molecular potential curves. For the first time effects of spin-rotation coupling in Feshbach resonances are observed, reflected in a triplet splitting of the p-wave components. The influence of the intraspecies scattering length on the heteronuclear Efimov scenario is studied by means of threebody loss rate measurements in the vicinity of two Feshbach resonances, characterized either by a positive or negative intraspecies scattering length. The measurements are quantitatively compared to the hyperspherical adiabatic formalism. The positive intraspecies scattering length can be interpreted as three-body parameter. The impact of few-body physics in the many-body impurity problem is discussed and prospects for realization of quantum degenerate Bose-Fermi mixtures with large mass imbalance are provided.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt Streuexperimente an einem ultrakalten Gemisch aus leichten fermionischen 6Li und schweren bosonischen 133Cs Atomen mittels derer Effekte der Zwei-, Wenig- und Vielteilchenphysik untersucht werden. Zu diesem Zweck wird die bestehende Apparatur zur Erzeugung von ultrakalten Gasen erweitert und durch Kühlung der 6Li Atome mittels grauer Melasse sowie einen neuen Aufbau zur hochauflösenden Absorptionsabbildung verbessert. Mittels Atomverlustund Bindungsenergiespektroskopie werden s-, p- und d-Wellen Feshbachresonanzen in den beiden energetisch niedrigsten Hyperfeinkanälen nachgewiesen. Diese Messungen in Kombination mit einer Coupled-Channels-Modellierung ermöglichen eine zehnfach verbesserte Parametrisierung der s-Wellen Streulänge sowie eine präzise Bestimmung der LiCs Molekülpotentialkurven. Zum ersten Mal werden Effekte der Spin-RotationsKopplung an Feshbachresonanzen beobachtet. Diese spiegeln sich in einer Triplettaufspaltung der p-Wellen Komponenten wider. Der Einfluss der Intraspeziesstreulänge auf den heteronuklearen Efimoveffekt wird mittels Messungen der Dreikörperverlustraten in der Nähe zweier Feshbachresonanzen untersucht, welche entweder eine positive oder negative Intraspeziesstreulänge aufweisen. Die Experimente werden quantitativ mit dem hypersphärischen adiabatischen Formalismus verglichen. Die positive Intraspeziesstreulänge kann dabei als Dreikörperparameter interpretiert werden. Die Auswirkungen der Wenigkörperphysik auf das Polaronproblem der Vielteilchenphysik werden diskutiert und Perspektiven für die Realisierung von quantenentarteten Bose-FermiMischungen mit großem Massenungleichgewicht werden vorgestellt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Weidemüller, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 18 December 2017
Date Deposited: 04 Jan 2018 08:33
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
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