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Abstract

This thesis reports on experiments investigating the emergence of many-body physics in mesoscopic two-dimensional (2D) few-fermion systems. The starting point are low-entropy samples of ultracold 6Li atoms in a quasi-2D geometry. When scanning the depth of the trapping potential, we observe an enhanced stability of closed-shell configurations of the 2D harmonic oscillator. This enables us to deterministically initialize closed-shell configurations of 2, 6 and 12 atoms in the ground state. By modulating the interaction strength we probe the excitation spectrum arising from the interplay of the finite single-particle gap in closed-shell configurations with the tunable attractive interactions. The full atom-counting statistics reveal pair excitations with a non-monotonous interaction dependence. These modes can be identified as the few-body precursors of a Higgs mode associated with a normal to superfluid phase transition in the thermodynamic limit. Additionally, we can access the momentum distribution with single-particle resolution. This is demonstrated by measuring the momentum distribution of up to six non-interacting fermions in the ground state of the 2D trap. We observe strong density correlations that arise from fermionic quantum statistics. In the future, extending the imaging scheme to interacting systems will allow us to observe the emergence of fermionic many-body paring directly in momentum space.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt Experimente, welche die Entstehung von kollektivem Verhalten in zweidimensionalen fermionischen Wenigteilchensystemen untersuchen. Ausgangspunkt der Experimente sind ultrakalte 6Li-Atome in einer Quasi-2DFallengeometrie. Beim Scannen der Tiefe des 2D-Potentials beobachten wir eine erhöhte Stabilität des Systems bei Atomzahlen, die Konfigurationen geschlossener Schalen des zweidimensionalen harmonischen Oszillators entsprechen. Dies ermöglicht es uns, geschlossene Schalen von 2, 6 und 12 Atomen im Grundzustand deterministisch zu initialisieren. Wir untersuchen das Anregungsspektrum, welches sich aus dem Zusammenspiel der endlichen Energielücke von Anregungen einzelner Atome in einer geschlossenen Schale mit der einstellbaren anziehenden Wechselwirkung ergibt. Das Spektrum zeigt bemerkenswerte Paaranregungen mit einer nicht monotonen Wechselwirkungsabhängigkeit. Diese Moden können als die Vorläufer von Higgs-Moden in einem Wenigteilchensystem identifiziert werden. Im thermodynamischen Limit sind die Higgs-Moden mit einem Phasenübergang von einer normalen- zu einer Supraflüssigkeit verknüpft. Im Experiment können wir auch die Impulsverteilung mit Einzelteilchenauflösung messen. Dies wird anhand von Messungen der Impulsverteilung von bis zu sechs nicht wechselwirkenden Fermionen im Grundzustand der 2D-Falle gezeigt. Wir beobachten starke Dichtekorrelationen, die sich aus der fermionischen Quantenstatistik ergeben. Eine Kombination der vorgestellten experimentellen Ergebnisse ermöglicht zukünftige Messungen, welche die Entstehung von fermionischer Vielteilchen Paarbildung direkt im Impulsraum untersuchen.