Fermi-Bose mixtures : From mean-field interactions to ultracold chemistry

Seit der Beobachtung von Bose-Einstein-Kondensation in einkomponentigen bosonischen Gasen und der Realisierung von spin-polarisierten idealen Fermigasen entwickelt sich das (noch sehr junge) Feld der ultrakalten Quantengase rasch in Richtung mehrkomponentiger Gase. Das letztendlich weiteste Spektrum an Moglichkeiten fur quantenmechanische Simulation, ultrakalte Chemie, exotische Paarbildungsmechanismen, Unordnungsphanomene und langreichweitige Wechselwirkung wird eroffnet durch Mischungen unterschiedlicher atomarer Elemente mit unterschiedlicher Statistik, unterschiedlichen Wechselwirkungen und Massen. Diese Dissertation stellt Experimente in einem System wechselwirkender, entarteter Mischungen aus fermionischen 40K und bosonischen 87Rb Quantengasen vor. Ein zusammen mit S. Ospelkaus aufgebautes Experiment zur Erzeugung von Fermi-Bose Mischungen wird detailliert vorgestellt. Bose-Einstein-Kondensation von 87Rb und die Erzeugung eines quantenentarteten Fermigases aus 40K wird demonstriert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Mischungen aus 87Rb und 40K mit den bislang grosten Teilchenzahlen realisiert. Die entsprechend hohen Dichten fuhren zur Beobachtung starker kontrahierender Effekte der attraktiven Fermi-Bose-Wechselwirkung, die das Verhalten der Mischung fundamental beeinflussen. Eindeutige Signaturen eines Kollapses fur grose Mischungen werden aufgezeigt, und das dynamische Verhalten der kollabierenden Mischung wird untersucht. Die beobachteten Instabilitaten haben wichtige Konsequenzen fur die Bestimmung der Wechselwirkungsparameter. Erstmalig wird die Durchstimmung heteronuklearer Wechselwirkung mittels Feshbach-Resonanzen demonstriert. Dies fuhrt zur Beobachtung aller Phasen harmonisch gespeicherter Mischungen: stabile, attraktiv oder repulsiv wechselwirkende Mischungen sowie Phasenseparation und ein kontrollierter Feshbach-induzierter Kollaps. Das hier beschriebene Experiment wurde von Beginn an fur Messungen in dreidimensionalen optischen Gittern ausgelegt. Fur homonukleare Systeme hat weltweit eine beeindruckende Reihe von Ergebnissen gezeigt, dass solche perfekten optischen Kristallgitter als Quantensimulatoren fur Festkorperphanomene dienen konnen. In dieser Dissertation wurde erstmalig eine Fermi-Bose Mischung in ein dreidimensionales optisches Gitter geladen. Dabei wird beobachtet, dass schon eine kleine Beimengung von fermionischen Atomen die Koharenz der bosonischen Wolke in betrachtlichem Mase beeinflusst. Diese Beobachtung ist momentan Gegenstand intensiver theoretischer Untersuchungen; es werden Beziehungen zu Thermodynamik im Gitter, Modellen in "mean field" Naherung und unordnungsgetriebenen Lokalisierungsphanomenen in Festkorpern diskutiert. Als wichtiger Schritt fur heteronukleare Systeme wird die Erzeugung ultrakalter Feshbach-Molekule vorgestellt. Diese ultrakalte chemische Reaktion findet an einer heteronuklearen Feshbachresonanz statt. Das beobachtete Spektrum der Bindungsenergien und die Effizienz der Molekulassoziation werden im Rahmen eines universellen Modelles (in Zusammenarbeit mit F. Deuretzbacher, K. Plassmeier und D. Pfannkuche) untersucht. Die langlebigen Molekule werden an einzelnen Gitterplatzen eines dreidimensionalen optischen Gitters in einem wohldefinierten Rovibrationszustand erzeugt, was sie zu idealen Kandidaten fur einen weiteren Transfer in den absoluten internen und externen Grundzustand mittels Femtosekunden-Frequenzkammtechnologie macht. Solche ultrakalten polaren Molekuleeignen sich als Bausteine neuartiger skalierbarer Quantencomputer, fur Quantengase mit langreichweitiger Wechselwirkung und fur fundamentale Messungen zu diskreten Symmetrieverletzungen in Atomen. Starting with the observation of Bose-Einstein condensation in single-component bosonic gases and Fermi degeneracy in spin-polarized Fermi gases, the (still relatively young) field of ultracold quantum gases is rapidly expanding to studies of mixed systems. Ultimately, mixtures of different atomic species with different statistics, different trapping properties, interactions and masses open up the widest spectrum of possibilities for quantum simulation, ultracold chemistry, exotic pairing phases, disorder-related many-body physics and long-range interacting systems. This thesis presents experiments in a system of interacting quantum degenerate fermionic 40K and bosonic 87Rb atoms. An experimental setup for producing Fermi-Bose mixtures which has been set up together with S. Ospelkaus is described in detail. The observation of both bosonic and fermionic degeneracy is demonstrated; in the case of fermionic atoms, showing the quantum behavior requires thorough analysis, which is rewarded by the observation of an ideal macroscopic Fermi sea. This thesis presents mixtures with the so far largest particle numbers for the 40K-87Rb system and discusses measurements with high densities where strong mean-field contracting interaction effects affect the behavior of the mixture. Clear signatures of the mean field collapse of large mixtures are observed, the dynamics of the collapsing sample is studied and important consequences for the interaction parameters are discussed. Tuning of interactions in a harmonically trapped heteronuclear mixture by means of Feshbach resonances is demonstrated for the first time, allowing all phases of the harmonically trapped mixture to be observed: stable heteronuclear interaction and repulsion as well as phase separation and a controlled Feshbach-induced collapse. From the very beginning, the setup described here has been designed for experiments in 3-dimensional optical lattices. In recent years, an impressive series on experiments with homonuclear systems has shown that such perfect optical crystals can be used as quantum simulators for condensed-matter phenomena. Within this thesis, a heteronuclear system, in particular a Fermi-Bose mixture, has been loaded into a 3D optical lattice for the first time, and only a very small fraction of fermionic "impurities" has been found to significantly reduce the coherence in the bosonic cloud. The observations are currently the subject of intense theoretical analysis, and there are important connections to thermodynamics, advanced mean field models and disorder physics. As a long-awaited step for heteronuclear systems, formation of ultracold Feshbach molecules from two different atomic elements is demonstrated. This ultracold chemical reaction takes place at temperatures in the nK regime at a heteronuclear Feshbach resonance. A detailed understanding of the observed energy spectrum and the molecular association process has been developed in collaboration with F. Deuretzbacher, K. Plassmeier and D. Pfannkuche in terms of a universal model. Long-lived molecules are produced within single wells of the 3D-optical lattice in a well-defined rovibrational state, which makes them an ideal basis for coherent transfer into both the external and internal ground state using readily available femtosecond technology. Such all ground state polar molecules open up the way towards ultracold long-range dipolar interacting systems. They may be used as building blocks of novel quantum gases, scalable quantum computation schemes and for fundamental measurements of P and T violating effects in atoms.