Many-body physics of ultracold gas mixtures with large mass difference
Final Report Abstract
In einem kalten Gemisch aus 7Li und 87Rb wurde die Wechselwirkung zwischen den Atomen in Abhängigkeit eines homogenen Magnetfeldes im Bereich von 0 bis 800 G untersucht. Für bestimmte Magnetfelder steigt die Wechselwirkung zwischen den beiden Spezies stark an. Die Wechselwirkung zwischen den Spezies lässt sich in einem adiabatischen Modell verstehen: Da sich die Massen von Lithium- und Rubidiumatomen um mehr als eine Größenordnung unterscheiden, bewegen sich die Lithiumatome bei gleicher Temperatur wesentlich schneller als die Rubidiumatome. Man kann daher über die Bewegung der Lithiumatome mitteln, was zu einem effektiven Potential zwischen den Rubidiumatomen führt. Ähnlich wie das Elektron im H2+-Molekül, übernimmt das Lithiumatom die Rolle eines Austauschteilchens, das die Wechselwirkung der Rubidiumatome vermittelt. Das resultierende Rb-Rb-Potential führt zu einer Serie gebundener Zustände, deren Größen und Energien sich durch einen universellen Skalierungsfaktor unterscheiden (Efimov-Trimere). Eines der Ziele des Antrags war die experimentelle Überprüfung dieser Vorhersage. Im Prinzip ist es außerdem vorstellbar, dass das Rubidium im effektiven Potential ein kristallines Gitter ausbildet und so ein neuartiger Festkörper entsteht. Diesem Szenario kann man sich dadurch nähern, dass man die effektive Wechselwirkung zunächst in einem optischen Gitter untersucht, in dem die Rubidiumatome bereits durch Lichtkräfte periodisch angeordnet sind. Im Verlauf des Projekts konnten, wie geplant, Efimov-Trimere beobachtet werden. Das Ziel, mehr als einen gebundenen Zustand nachzuweisen, ließ sich allerdings nicht erreichen. Bei den zur Beobachtung eines zweiten Zustands notwendigen, sehr niedrigen Temperaturen, führt der Massenunterschied zu einem unterschiedlich starken schwerkraftbedingten Absinken der beiden Gase in der gemeinsamen Falle. Dadurch werden die beiden Gase räumlich getrennt und die Wechselwirkung unterdrückt. Allerdings konnte die beobachtete Resonanz einen wichtigen Beitrag zur Beantwortung der Frage liefern, ob auch die Lage der Efimov-Resonanzen einem universellen Gesetz gehorcht. In der Tat wird diese These durch unsere Beobachtung gestützt. Ein weiteres zentrales Ergebnis des Projekts war die erstmalige Beobachtung von photonischen Bandlücken in optischen Gittern. Beim Testen des geplanten optischen Gitters mit einem kalten Rubidiumgas ergaben sich ungewöhnlich hohe Reflektionskoeffizienten, mit denen ein Teststrahl am Gitter reflektiert wurde. Dies ließ sich mit dem Auftreten photonischer Bandlücken erklären, die so erstmalig in optischen Gittern beobachtet werden konnten. Eine ursprünglich nicht geplante Vertiefung dieser Arbeiten ergab eine weitere Überraschung. Bei Rückspiegelung des Teststrahls konnte oberhalb einer bestimmten Schwelle die Emission kohärenter Lichtstrahlung beobachtet werden. Damit war ein neues laserartiges System gefunden, bei dem die optische Rückkopplung allein durch ein optisches Gitter realisiert wird.
Publications
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"Heteronukleare Feshbachresonanzen in ultrakalten Lithium-Rubidium-Gemischen", Dissertation an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen (2008)
C. Marzok
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"Feshbach resonances in an ultracold 7Li and 87Rb mixture", Phys. Rev. A 79, 012717 (2009)
C. Marzok, B. Deh, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille, E. Tiemann, Y.V. Vanne, A. Saenz
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"Photonic Band Gaps in One-Dimensionally Ordered Cold Atomic Vapors", Phys. Rev. Lett. 106, 223903 (2011)
A. Schilke, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille, W. Guerin
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"Optical parametric oscillation with distributed feedback in cold atoms", Nature Photonics 6, 101 (2012)
A. Schilke, C. Zimmermann, P. W. Courteille, W. Guerin
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"Photonic properties of one-dimensionally-ordered cold atomic vapors under conditions of electromagnetically induced transparency", Phys. Rev. A 86, 023809 (2012)
Alexander Schilke, Claus Zimmermann, William Guerin
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"Photonische Eigenschaften eines eindimensionalen geordneten atomaren Mediums", Dissertation an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen (2012)
A. Schilke
