A Setup for High-Resolution Imaging of Ultracold Lithium Atoms

Abstract

In the field of research of ultracold quantum gases, quantum gas microscopes have established as an effective tool for direct observation of spatial correlations and dynamics of an ultracold many-body system. This thesis describes the setup of a new experimental apparatus that aims for quantum gas microscopy of ultracold bosonic and fermionic lithium atoms to simulate atomic and molecular dynamics and to explore anyonic quantum particles.

Lithium atoms offer fast timescales and precise adjustment of their interaction strength. In addition it is possible to work with the bosonic isotope lithium-7 or the fermionic isotope lithium-6 in the same experimental apparatus separate from only small technical changes. The combination of this element with the single-atom sensitivity of a quantum gas microscope is a very promising but also technically demanding experimental platform.

The experimental setup to achieve this goal is described in detail in this thesis. We build a compact 2D-/3D-MOT setup without any further transport to facilitate short experimental cycle times. This enables measurements that require very high statistics. The addition of gray molasses cooling and a far-detuned high-power optical dipole trap allows us to routinely produce quantum degenerate gases of lithium atoms.

Single-atom sensitive imaging for lithium atoms requires a very deep optical lattice and an effective cooling mechanism to pin the atoms on their respective lattice site during the imaging process. We build and characterize an accordion lattice along the vertical direction for the preparation of a single plane of atoms and a triangular lattice for the horizontal plane.

For cooling of the atoms in the optical lattice we prepare our experimental setup for the implementation of Raman sideband cooling. Measurements of two-photon Raman transitions and Rabi oscillations as intermediate steps to the actual cooling of the atoms inside the lattice are presented in this thesis. In addition we build an imaging setup for the realization of the necessary high optical resolution. At the end of this thesis an outlook is given on the upcoming experimental steps and on the research projects that shall be realized in the future.

In dem Forschungsgebiet der ultrakalten Quantengase haben sich Quantengasmikroskope als ein effektives Werkzeug zur direkten Beobachtung von räumlichen Korrelationen und Dynamiken eines ultrakalten Vielteilchensystems etabliert. Diese Arbeit beschreibt den Aufbau eines neuen Experiments zur Realisierung von Quantengasmikroskopie bosonischer und fermionischer Lithium-Atome zur Simulation von atomarer und molekularer Dynamik und für die Untersuchung von anyonischen Quantenteilchen.

Lithium-Atome verfügen über schnelle Zeitskalen und ermöglichen die präzise Einstellung ihrer Wechselwirkungsstärke. Darüber hinaus müssen nur kleine technische Änderungen vorgenommen werden, um in demselben Experiment sowohl mit dem bosonischen Isotop Lithium-7 als auch mit dem fermionischen Isotop Lithium-6 arbeiten zu können. Die Kombination dieses atomaren Elements mit der Sensitivität für einzelne Atome eines Quantengasmikroskops ist eine vielversprechende aber auch technisch anspruchsvolle experimentelle Plattform.

Der experimentelle Aufbau, mit dem dieses Zeil erreicht werden soll, wird in dieser Arbeit im Detail beschrieben. Wir verwenden einen kompakten 2D-/3D-MOT Aufbau ohne anschließenden Transport, um kurze experimentelle Zykluszeiten zu erreichen. Dies ermöglicht Messungen, die sehr hohe Statistik erfordern. Durch das Hinzufügen einer Graue-Melasse-Kühlung und einer weit verstimmten Dipolfalle mit hoher Leistung können wir routinemäßig ultrakalte Quantengase mit Lithium-Atomen erzeugen.

Das Abbilden von einzelnen Lithium-Atomen erfordert ein sehr tiefes optisches Gitter und einen effektiven Kühlmechanismus, um die Atome während des Abbildungsprozesses auf ihrem jeweiligen Gitterplatz zu fixieren. Wir konstruieren und charakterisieren ein Akkordeongitter entlang der vertikalen Richtung für die Präparation einer einzelnen Ebene von Atomen und wir verwenden ein Dreiecksgitter für die horizontale Ebene.

Um die Atome im optischen Gitter kühlen zu können, bereiten wir das Experiment für die Implementierung von Raman-Seitenband-Kühlen vor. Im Zuge dessen werden in dieser Arbeit Messungen der Raman Zwei-Photonen-Übergänge und der Rabi-Oszillationen als Zwischenschritte zur tatsächlichen Kühlung der Atome im Gitter präsentiert. Darüber hinaus wird ein Abbildungssystem zur Realisierung der benötigten hohen optischen Auflösung aufgebaut. Am Ende dieser Arbeit wird ein Ausblick gegeben auf die kommenden experimentellen Schritte und auf die Forschungsvorhaben, die in Zukunft realisiert werden sollen.