Quantum degeneracy in an atomic Fermi-Fermi-Bose mixture [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Matthias Taglieber

Matthias Taglieber

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Quantum Degeneracy in an Atomic
Fermi-Fermi-Bose Mixture
Matthias Taglieber
Munchen 2008Quantum Degeneracy in an Atomic
Fermi-Fermi-Bose Mixture
Matthias Taglieber
Dissertation
an der Fakultat fur Physik
der Ludwig-Maximilians-Universitat
Munchen
vorgelegt von
Matthias Taglieber
aus Mannheim
Munchen, Marz 2008 Erstgutachter: Prof. Dr. Theodor W. Hansch
Zweitgutachter: Prof. Dr. Gerhard Rempe
Tag der mundlichen Prufung: 15. April 2008Abstract
This thesis deals with dilute fermionic and bosonic quantum gases in the nK temperature
regime. In the work presented here, the rst quantum-degenerate mixture of two di erent
fermionic atomic species and the rst triple-degenerate Fermi-Fermi-Bose mixture were
produced. The quantum-degenerate mixtures were realized using sympathetic cooling of
6 40 87the fermionic species Li and K by an evaporatively cooled gas of bosonic Rb atoms in
a magnetic trap. The apparatus, which was designed and built from scratch in this thesis
work, provides a very versatile platform for a broad range of experiments.
As the rst important step in the production of the quantum-degenerate three-species
6 40 87mixture, simultaneous magneto-optical trapping of Li, K, and Rb was achieved, there-
by demonstrating the rst three-species magneto-optical trap (\triple MOT") and the rst
two-fermion MOT. The triple MOT is loaded with lithium from a Zeeman slower and with
potassium and rubidium from the background vapor that is maintained by atomic vapor
40dispensers. For this purpose, dispensers for potassium enriched in the isotope K were
produced. The triple MOT was characterized and studied with respect to light-assisted
interspecies losses. Furthermore, a sequence combining a compressed MOT and a temporal
dark MOT is presented that, in spite of the di ering requirements of the three species, allows
us to achieve favorable starting conditions for further cooling in the QUIC-type magnetic
trap. A magnetic transport system is used to transfer the precooled atomic clouds from
the MOT position into the QUIC trap. The transport scheme was adapted to the speci c
requirements of the three-species mixture, in particular to the temperature of laser-cooled
lithium, which is high in comparison to other species.
The quantum-degenerate regime is reached by evaporative and sympathetic cooling in
87the QUIC trap. Species-selective evaporation of rubidium is achieved by driving a Rb
hyperne transition to an untrapped state. In order to avoid undesired atom losses and
heating due to spin-exchange collisions, the atoms are prepared in the maximally polarized
internal ground states. Careful state cleaning during the cooling process was found crucial
to attain quantum degeneracy. Since evaporative and sympathetic cooling both rely on
energy transfer by elastic collisions between atoms, the e ciency of the cooling process
87 87 40 87depends on the relevant elastic scattering cross sections. The Rb- Rb and K- Rb
6 87scattering cross sections are quite favorable for this purpose. The Li- Rb scattering cross
section, however, was unknown at the beginning of the project and was later found to
6 87be comparatively small, making sympathetic cooling of Li by Rb rather challenging.
In this thesis work, an experimental sequence was developed that nevertheless allows the
6production of a quantum-degenerate Li gas with large atom number in this mixture.
Furthermore, it is shown that in the three-species mixture, the e ciency of the cooling
6 40process for Li is signi cantly increased by the presence of K through catalytic cooling.
The quantum-degenerate Fermi-Fermi and Fermi-Fermi-Bose mixtures realized in this thesis
work serve as a starting point for a broad range of possible future experiments, including
the creation of heteronuclear Fermi-Fermi dimers and the investigation of the BEC-BCS
cross-over regime. In this context, the possibilities opened by the mass di erence and the
di ering internal structures of the two fermionic species are of particular interest.
vZusammenfassung
Die vorliegende Arbeit befa t sich mit verd unnten fermionischen und bosonischen Quan-
tengasen im nK-Temperaturbereich. Im Rahmen der Arbeit wurden sowohl die erste quan-
tenentartete Mischung zweier verschiedener fermionischer Atomspezies als auch die erste
dreifach entartete Fermi-Fermi-Bose-Mischung erzeugt. Die quantenentarteten Mischungen
6 40wurden durch sympathetisches Kuhlen der fermionischen Spezies Li and K mit einem
87mittels Verdampfungskuhlung aktiv gekuhlten Gas bosonischer Rb-Atome in einer Ma-
gnetfalle realisiert. Die Apparatur, die hierfur in dieser Arbeit entworfen und von Grund
auf aufgebaut wurde, bietet eine au erst vielseitige Plattform f ur ein breites Spektrum an
Experimenten.
Als erster wichtiger Schritt fur die Produktion der quantenentarteten Drei-Spezies-Mi-
6 40 87schung konnten Li, K und Rb simultan magneto-optisch gefangen werden. Dies stellt
die erste Realisierung einer magneto-optischen Falle fur drei Spezies (\Dreifach-MOT")
und einer MOT fur zwei fermionische Spezies dar. Die Dreifach-MOT wird mit Lithium
aus einem Zeeman-Abbremser und mit Rubidium und Kalium aus dem Hintergrund-Gas
geladen, das durch Atomgas-Dispenser aufrechterhalten wird. Zu diesem Zweck wurden
40Dispenser mit im Isotop K angereichertem Kalium hergestellt. Die Dreifach-MOT wurde
charakterisiert und bezuglich lichtunterstutzter Interspezies-Verluste studiert. Desweiteren
wird eine aus einer komprimierten MOT und einer zeitlichen Dunkel-MOT kombinierte
Sequenz vorgestellt, die es ermoglicht, trotz der sich unterscheidenden Anforderungen der
drei Atomsorten gunstige Ausgangsbedingungen fur das folgende Kuhlen in der QUIC-
Magnetfalle zu erzielen. Fur den Transfer der vorgekuhlten Atome von der MOT-Position in
die QUIC-Falle wird ein magnetisches Transport-System verwendet. Das Transport-Schema
wurde an die besonderen Anforderungen der Drei-Spezies-Mischung angepa t, insbesondere
auch an die im Vergleich zu anderen Spezies hohe Temperatur von lasergekuhltem Lithium.
Das quantenentartete Regime wird durch Verdampfungskuhlung und sympathetisches
Kuhlen in der QUIC-Falle erreicht. Speziesselektive Verdampfungskuhlung von Rubidium
87 wird durch Treiben eines Rb-Hyperfein-Ubergangs in einen ungefangenen Zustand erzielt.
Um unerwunschte Atomzahlverluste und Heizen durch Spinaustausch-Sto e zu verhindern,
sind die Atome in den maximal polarisierten Grundzustanden prap ariert. Eine sorgfal tige
Zustandsreinigung wahrend des Kuhlprozesses hat sich als entscheidend zum Erreichen der
Quantenentartung erwiesen. Da sowohl Verdampfungskuhlung als auch sympathetisches
Kuhlen auf Energieubertragung durch elastische Sto e zwischen den Atomen beruhen,
han gt die E zienz des K uhlprozesses von den relevanten elastischen Streuquerschnitten
87 87 40 87ab. Die Streuquerschnitte fur Rb- Rb- und K- Rb-Sto e sind hierf ur recht gunstig.
6 87Der Li- Rb-Streuquerschnitt hingegen war zu Beginn des Projektes noch unbekannt und
stellte sich spat er als vergleichsweise klein heraus, so dass sympathetisches Kuhlen von
6 87Li durch Rb erheblich erschwert ist. In dieser Arbeit konnte jedoch eine experimentelle
Sequenz entwickelt werden, die in dieser Mischung trotzdem die Erzeugung eines quan-
6tenentarteten Li-Gases mit gro er Atomzahl gestattet. Desweiteren wird gezeigt, dass die
6 40Kuhle zienz f ur Li in der Drei-Spezies-Mischung durch die Anwesenheit von K aufgrund
von katalytischem Kuhlen signi kant erh oht ist. Die im Rahmen dieser Arbeit erzeugten
quantenentarteten Fermi-Fermi- und Fermi-Fermi-Bose-Mischungen dienen als Startpunkt
fur ein breites Spektrum moglicher zukunftiger Experimente, wie beispielsweise der Erzeu-
gung heteronuklearer Fermi-Fermi-Dimere oder der Erforschung des BEC-BCS-Ubergangs.
Besonders interessant sind dabei die Moglichkeiten, die sich durch die Massendi erenz und
die unterschiedlichen internen Strukturen der zwei fermionischen Spezies ergeben.Contents
Abstract v
1. Introduction 1
1.1. Bose-Einstein condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Quantum-degenerate Fermi gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Ultracold molecules and the BEC-BCS transition . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4. This thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Theory 9
2.1. Ultracold gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1. Quantum statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2. Fermionic quantum gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3. Bosonic quantum gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.4. The classical, ideal gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2. Evaporative and sympathetic cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1. Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2. Evaporative cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3. Sympathetic cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3. Experimental Setup 33
3.1. Concept and overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2. Vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1. Setup . . . . . . . . . . . .