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Abstract

This thesis presents experiments with few-fermion systems in quasi-2D. Starting with spin-balanced systems, the emergence of a few-body precursor of a phase transition is presented. The microscopic origins of the precursor, namely Pauli blocking and Cooper pair formation at the Fermi surface, are observed using single particle microscopy of in situ momenta. Using matterwave techniques, a microscopy scheme to measure in situ positions of particles in a regime where the system size is smaller than the effective imaging resolution is presented. This matterwave microscope is characterized and its performance is demonstrated by measuring correlations across the BEC-BCS crossover in a few-body spin-balanced system. Spin-imbalanced few-fermion systems are then studied. The preparation of such systems in the motional ground state using interaction mediated spin-motion coupling is demonstrated. A simple model system consisting of a single impurity immersed in a few-body Fermi sea is studied and correlations of in situ positions beyond second order are used to infer a few-body precursor of the polaron-molecule transition. The effect of fermion number on the molecular state and the stability of the metastable excited state are studied. The effect of mismatched Fermi surfaces at finite impurity concentrations on the center-of-mass(COM) momentum of pairs are then explored by accessing correlations.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit werden Experimente mit Wenig-Fermionen Systemen in quasi-2D vorgestellt. Ausgehend von spin-ausgeglichenen Systemen wird das Auftreten eines Wenig-Teilchen Vorläufers eines Phasenübergangs vorgestellt. Die mikroskopischen Ursprünge des Vorläufers, nämlich Pauli-Blockierung und Cooper-Paar-Bildung an der Fermi-Oberfläche, werden mit Hilfe der Einzelteilchenmikroskopie im Impulsraum beobachtet. Unter Verwendung von Materiewellen-Techniken wird ein Mikroskopieschema zur Messung im Ortsraum von Teilchen in einem Bereich vorgestellt, in dem die Systemgröße kleiner ist als die effektive Bildauflösung. Dieses Materiewellenmikroskop wird charakterisiert und seine Leistungsfähigkeit wird durch die Messung von Korrelationen über den BEC-BCS-Übergang in einem spin-ausgeglichenen System mit wenigen Teilchen demonstriert. Anschließend werden spin-unausgeglichene Systeme mit wenigen Fermionen untersucht. Die Präparation solcher Systeme im Bewegungsgrundzustand durch wechselwirkungsvermittelte Spin-Bewegungs-Kopplung wird demonstriert. Ein einfaches Modellsystem, das aus einer einzelnen Störstelle besteht, die in ein Wenig-Teilchen-Fermi-Meer eingetaucht ist, wird untersucht, und Korrelationen im Ortsraum jenseits der zweiten Ordnung werden verwendet, um einen Wenig-Teilchen-Vorläufer des Polaron-Molekül-Übergangs abzuleiten. Die Auswirkungen der Fermionenzahl auf den molekularen Zustand und die Stabilität des metastabilen angeregten Zustands werden untersucht. Die Auswirkung nicht angepasster Fermi-Flächen bei endlichen Störstellenkonzentrationen auf den Massenmittelpunkt (COM) von Paaren wird dann durch den Zugriff auf Korrelationen untersucht.