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Heteronuclear molecules from a quantum degenerate Fermi-Fermi mixture [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Arne-Christian Voigt

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Heteronuclear Moleculesfrom a Quantum DegenerateFermi-Fermi MixtureArne-Christian VoigtMunchen 2009¨Heteronuclear Moleculesfrom a Quantum DegenerateFermi-Fermi MixtureArne-Christian VoigtDissertationan der Fakult¨at fu¨r Physikder Ludwig–Maximilians–Universit¨atMu¨nchenvorgelegt vonArne-Christian Voigtaus FlensburgMu¨nchen, Juli 2009Erstgutachter: Prof. Dr. Theodor W. Hansch¨Zweitgutachter: Prof. Dr. Wilhelm ZwergerTag der mundlichen Prufung: 16. September 2009¨ ¨Meinen ElternAbstractThis thesis reports on experiments with quantum degenerate atomic mixtures and moleculargases at ultracold temperatures. The work describes the first realization of a quantum de-generate Fermi-Fermi mixture of two different species with unequal masses. In addition, thefirst quantum degenerate three-species mixture is realized. Furthermore, the first heteronu-clear bosonic molecules with temperatures close to quantum degeneracy are created from atwo-species mixture.Within this work a new and very versatile experimental platform to study quantum de-generate two-species Fermi mixtures is presented. The experimental concept relies on sym-40 6 87pathetic cooling of two fermionic species ( K and Li) by a large bosonic gas ( Rb). It isshownthat large atom numbersand reliable operation are guaranteed bycareful choice of theexperimental components and parameters, which is essential to deal with the complexity ofsuch an experimental platform with three atomic species.

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Published 01 January 2009
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Language English
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Heteronuclear Molecules
from a Quantum Degenerate
Fermi-Fermi Mixture
Arne-Christian Voigt
Munchen 2009¨Heteronuclear Molecules
from a Quantum Degenerate
Fermi-Fermi Mixture
Arne-Christian Voigt
Dissertation
an der Fakult¨at fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Mu¨nchen
vorgelegt von
Arne-Christian Voigt
aus Flensburg
Mu¨nchen, Juli 2009Erstgutachter: Prof. Dr. Theodor W. Hansch¨
Zweitgutachter: Prof. Dr. Wilhelm Zwerger
Tag der mundlichen Prufung: 16. September 2009¨ ¨Meinen ElternAbstract
This thesis reports on experiments with quantum degenerate atomic mixtures and molecular
gases at ultracold temperatures. The work describes the first realization of a quantum de-
generate Fermi-Fermi mixture of two different species with unequal masses. In addition, the
first quantum degenerate three-species mixture is realized. Furthermore, the first heteronu-
clear bosonic molecules with temperatures close to quantum degeneracy are created from a
two-species mixture.
Within this work a new and very versatile experimental platform to study quantum de-
generate two-species Fermi mixtures is presented. The experimental concept relies on sym-
40 6 87pathetic cooling of two fermionic species ( K and Li) by a large bosonic gas ( Rb). It is
shownthat large atom numbersand reliable operation are guaranteed bycareful choice of the
experimental components and parameters, which is essential to deal with the complexity of
such an experimental platform with three atomic species.
The first important milestone towards quantum degeneracy is realized by simultaneous
87 40 6trapping Rb, K and Li in a magneto-optical trap. This marks the first realization of
magneto-optical trapping of two fermionic species and also of three species. To achieve quan-
tum degeneracy, different experimental challenges and difficulties of the three species with
very different initial temperatures, scattering cross sections and masses were overcome. A
combined compressed MOT and temporal dark MOT phase, a careful state cleaning process
during the cooling process, species selective evaporative cooling of rubidium and removing
of high energetic lithium atoms turn out to be essential for the successful realization of a
quantum degenerate Fermi-Fermi-Bose mixture. Furthermore, at the end of the sympathetic
cooling process, the cooling efficiency of lithium is improved by catalytic cooling through
potassium.
A quantum degenerate Fermi-Fermi mixture can be realized in the strongly interacting
regimeatas-waveFeshbachresonance. Byanadiabaticmagnetic fieldsweepacrosstheFesh-
bach resonance ultracold bosonic heteronuclear molecules are created with high efficiencies of
4up to 50%. The associated number of molecules are up to 4×10 molecules, which is the
largest number of heteronuclear molecules produced so far. Furthermore, close to resonance
an increased molecular lifetime of more than 100ms is observed. Therefore, this is the first
system that may be used to explore many-body physics of a heteronuclear mixture in the
strongly interacting regime across a Feshbach resonance.
The heteronuclear Fermi mixture adds the mass ratio and the different internal structure
as new parameters to quantum degenerate Fermi gases. The molecular cloud being close
to quantum degeneracy marks the first starting point for the realization of a heteronuclear
molecular BEC and to investigate the BEC-BCS crossover with unequal masses. Moreover,
the molecules can be transferred into the rovibrational ground state to create a polar BEC
with an anisotropic, long-range interaction.
viiviiiZusammenfassung
Die vorliegende Arbeit beschreibt Experimente mit quantenentarteten atomaren Mischungen
undmolekularen Gasen bei ultrakalten Temperaturen. Die Arbeit zeigt die erste Realisierung
einer quantenentarteten Fermi-Fermi-Mischung aus zwei verschiedenen Atomsorten als auch
dieHerstellungeinerdreifachquantenentartetenMischung.Daru¨berhinauswerdenzumersten
Mal heteronukleare bosonische Molekule, deren Temperatur nahe an der Quantenentartung¨
liegt, aus zwei unterschiedlichen Atomsorten hergestellt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neue, vielseitig einsetzbare experimentelle Plattform
zum Studium von quantenenarteten fermionischen Mischungen aus unterschiedlichen Atom-
sorten prasentiert. Das experimentelle Konzept beruht auf der sympathetischen Kuhlungvon¨ ¨
40 6 87zwei fermionischen Atomsorten ( K und Li) mit einem großen bosonischen Gas ( Rb). Es
wirdgezeigt,daßgroßeAtomzahlenundeinzuverl¨assigesArbeitendurcheinesorgf¨altigeWahl
der experimentellen Komponenten undParameter erfu¨llt werdenkann. Dies ist essenziell, um
die Komplexita¨t eines solchen Experiments mit drei Spezies zu bewa¨ltigen.
Der erste wichtige Meilenstein zur Quantenentartung ist durch das simultane Fangen von
87 40 6Rb, K und Li in einer magneto-optischen Falle realisiert. Dies stellt das erste magneto-
optischeFangenvonzweifermionischenals auchvondreiAtomsortendar.ZurQuantenentar-
tung wurden unterschiedlichste experimentelle Herausforderungen mit den drei Atomsorten,
die verschiedene Anfangstemperaturen, Streuquerschnitte und Massen aufweisen, uberwun-¨
den. Fu¨r eine erfolgreiche Herstellung einer quantenentarteten Fermi-Fermi-Bose-Mischung
sindeineKombinationauskomprimierterMOTundzeitlicher Dunkel-MOTPhase,einesorg-
faltigeZustandsreinigungwahrendderKuhlphase,speziesselektiveVerdampfungskuhlungvon¨ ¨ ¨ ¨
RubidiumundEntfernungvon hochenergetischen LithiumAtomen entscheidend.Ferner wird
die Kuhleffizienz von Lithium durch katalytisches Kuhlen durch Kalium verstarkt.¨ ¨ ¨
Eine quantenentartete Fermi-Fermi-Mischung kann im starkwechselwirkendemRegime an
einer s-Wellen-Feshbach-Resonanz prapariert werden. Mit Hilfe einer adiabatischen Magnet-¨
feldver¨anderung u¨ber die Feshbach-Resonanz ko¨nnen ultrakalte bosonische Moleku¨le mit ho-
hen Effizienzen bis zu 50% hergestellt werden. Die assoziierten Molekulzahlen sind bis zu¨
44×10 , was die derzeit gr¨oßten heteronuklearen Moleku¨lzahlen darstellt. Daru¨berhinaus wei-
sen die Molekule eine ansteigende Lebensdauer nahe der Resonanz von mehr als 100ms auf.¨
Demzufolge ist es das erste System, mit dem Vielteilchenphysik einer heteronuklearen Mi-
schung im starkwechselwirkenden Regime an einer Feshbach-Resonanz studiert werden kann.
Die heteronukleare Fermi-Mischung erweitert die quantenenarteten Fermi-Gase um das
Massenverh¨altnisunddieunterschiedlicheinterneStruktur.DasmolekulareGas,welchesnahe
an der Quantenentartung ist, markiert den ersten Startpunkt hin zu einem heteronuklearen
¨Moleku¨l-BEC undderUntersuchungdesBEC-BCS-Ubergangs mitunterschiedlichenMassen.
Daruberhinauskonnen die Molekule in denrovibrationellen Grundzustanduberfuhrtwerden,¨ ¨ ¨ ¨ ¨
um ein polares BEC mit einer anisotropen, langreichweitigen Wechselwirkung herzustellen.
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