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Abstract

This thesis reports on experiments with few-fermion systems in quasi one dimensional confining potentials with tunable interaction. Using ultracold atoms we prepare these systems in a well defined quantum state with fidelities of 90% for up to 8 particles. The interparticle interaction in the 1D environment can be effectively described by a 1D contact interaction where the coupling strength can be tuned with a confinement induced resonance (CIR). We investigate a system of two repulsively interacting distinguishable fermions and compare it to a system of two identical noninteracting fermions. For diverging coupling strength we show the fermionization of two distinguishable fermions, i.e. we observe the energy and the square modulus of the wavefunction of both system to be identical. We also perform radio frequency spectroscopy to measure the energy of a single minority particle interacting repulsively with a defined number of majority particles of different spin. We study the crossover from a few-particle system to a many-particle system by adding majority particles one by one. We observe that already four majority particles are enough to describe the properties of the minority by that of a polaron-like particle, i.e. by a single impurity dressed by a 1D Fermi sea. Investigating attractively interacting systems we observe that for increasing interaction strength the pair correlations in the system increases. This correlation leads to a strong odd-even effect of the single particle dissociation energy similar to the one observed for nuclei.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt Experimente an Wenigteilchensystemen aus Fermionen, bei denen wir die Wechselwirkungsstärke einstellen können, in einem quasi eindimensionalem Potential. Mit Hilfe von ultrakalten Atomen präparieren wir solche Wenigteilchensysteme aus bis zu acht Fermionen in wohl definierten Quantenzuständen mit einer Zuverlässigkeit von mehr als 90%. Die Wechselwirkung zwischen den Teilchen kann effektiv durch eine 1D-Kontaktwechselwirkung beschrieben werden, wobei wir die dazugehörige Kopplungskonstante mit Hilfe einer CIR einstellen können. Wir untersuchen ein System von zwei unterscheidbaren, repulsiv wechselwirkenden Fermionen und vergleichen es mit einem System von zwei nichtwechselwirkenden identischen Fermionen. Für den Fall von divergierender Kopplungskonstante beobachten wir die Fermionisierung von zwei unterscheidbaren Fermionen, d.h. wir stellen fest, dass die Energie und das Betragsquadrat der Wellenfunktion beider Systeme identisch sind. Mit Hilfe von Radiofrequenzspektroskopie messen wir die Energie eines einzelnen Minoritätsteilchens das repulsiv mit einer festgelegten Anzahl Majoritäts- teilchen mit anderem Spin wechselwirkt. Bereits für vier Majoritätsteilchen stellen wir fest, dass das Verhalten des Minoritätsteilchen sich an die polaronischen Eigenschaften eines einzelnen Fremdteilchens in einem 1D Fermi-See annähert. Im Fall von attraktiv wechselwirkenden Systemen finden wir Hinweise darauf, dass die Paarkorrelation als Funktion der Wechselwirkungsstärke zunimmt. Abhänging von der Teilchenzahl finden wir in der Einteilchen-Dissoziationsenergie einen Ungerade-Gerade Effekt, ähnlich zu dem, der bei Atomkernen gefunden wurde.