Authors:	Best, Thorsten
Title:	Interacting Bose-Fermi mixtures in optical lattices
Online publication date:	22-Jun-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	In this thesis, we investigate mixtures of quantum degenerate Bose and Fermi gases of neutral atoms in threedimensional optical lattices. Feshbach resonances allow to control interspecies interactions in these systems precisely, by preparing suitable combinations of internal atomic states and applying external magnetic fields. This way, the system behaviour can be tuned continuously from mutual transparency to strongly interacting correlated phases, up to the stability boundary.rnThe starting point for these investigations is the spin-polarized fermionic band insulator. The properties of this non-interacting system are fully determined by the Pauli exclusion principle for the occupation of states in the lattice. A striking demonstration of the latter can be found in the antibunching of the density-density correlation of atoms released from the lattice. If bosonic atoms are added to this system, isolated heteronuclear molecules can be formed on the lattice sites via radio-frequency stimulation. The efficiency of this process hints at a modification of the atom number distribution over the lattice caused by interspecies interaction.rnIn the following, we investigate systems with tunable interspecies interaction. To this end, a method is developed which allows to assess the various contributions to the system Hamiltonian both qualitatively and quantitatively by following the quantum phase diffusion of the bosonic matter wave.rnBesides a modification of occupation number statistics, these measurements show a significant renormalization of the bosonic Hubbard parameters. The final part of the thesis considers the implications of this renormalization effect on the many particle physics in the mixture. Here, we demonstrate how the quantum phase transition from a bosonic superfluid to a Mott insulator state is shifted towards considerably shallower lattices due to renormalization. In dieser Arbeit untersuchen wir Mischungen quantenentarteter Bose- und Fermigase neutraler Atome in dreidimensionalen optischen Gittern. Dabei erlauben Feshbach-Resonanzen, die Interspezies-Wechselwirkung in diesen Systemen präzise durch Präparieren geeigneter Kombinationen atomarer Zustände und Anlegen externer Magnetfelder zu kontrollieren. Damit lässt sich das Systemverhalten stetig von wechselseitiger Transparenz zu stark wechselwirkenden korrelierten Phasen bis hin zur Grenze der Stabilität einstellen. rnDen Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet der spinpolarisierte fermionische Bandisolator, ein wechselwirkungsfreies System, dessen Eigenschaften allein durch das Pauli-Prinzip bei der Besetzung der zur Verfügung stehenden Zustände im optischen Gitter bestimmt sind, Dieses lässt sich eindrucksvoll anhand des Antibunching in der Dichte-Dichte-Korrelation aus dem Gitter frei gelassener Atome beobachten. Fügt man dem System bosonische Atome hinzu, so lassen sich durch Radiofrequenzstimulation auf den Gitterplätzen isolierte heteronukleare Moleküle bilden. Die Effizienz dieses Prozesses gibt Hinweise darauf, dass die Atomzahlverteilung über das Gitter aufgrund der Interspezies-Wechselwirkung deutlich modifiziert sein könnte.rnIm folgenden werden Systeme mit einstellbarer Interspezies-Wechselwirkung untersucht. Dabei wird zunächst eine Methode entwickelt, die unterschiedlichen Beiträge des System-Hamilton-Operators anhand der Quantenphasendiffusion der bosonischen Materiewelle qualitativ und quantitativ zu erfassen. Dabei zeigt sich neben der Modifikation der Besetzungszahlstatistik eine signifikante Renormierung der bosonischen Hubbard-Parameter. Diese kann anhand der wechselwirkungsinduzierten Änderung der Wannier-Orbitale verstanden werden. Die Arbeit schließt mit einer Untersuchung der Auswirkung dieses Renormierungseffekts auf die Vielteilchenphysik des Mischungssystems. Dabei wird gezeigt, wie sich der Quantenphasenübergang zwischen dem bosonischen Superfluid und dem Mott-Isolator-Zustand aufgrund der Renormierung zu wesentlich flacheren Gittern hin verschiebt.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3129
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-28107
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen