Quantum engineering of a low-entropy sample of RbCs molecules in an optical lattice

Ultrakalte Moleküle mit elektrischen Dipolmomenten erfahren derzeit großes Interesse seitens theoretischer und experimenteller Quantenphysiker. Auf Grund der lange Lebensdauer stabiler Grundzustandsmoleküle in Kombination mit der starken, langreichweitigen Wechselwirkung der elektrischen Dipolmomente sind dipolare Moleküle ideal geeignet zur Erforschung von exotischen Quanten-Zuständen in optischen Gittern, wie zum Beispiel der Suprasolidität eines wechselwirkenden Vielteilchen-Systems. Weitere potentielle Anwendungen finden dipolare Moleküle in der Simulation von Spin-Systemen oder in der Realisierung von Quantencomputern. Die Umsetzung der meisten dieser Vorschläge basiert auf Ensembles von dipolaren Molekülen mit geringer Entropie in Gittern. Solche ultrakalten Molekül-Ensembles in optischen Gittern zu präparieren, stellt dabei jedoch eine große experimentelle Herausforderung dar. In der Vergangenheit gelang es nicht, Ensembles aus dipolaren Molekülen mit geringer Entropie in Gittern zu realisieren. Die Molekül-Ensembles wurden üblicherweise zunächst ohne Gitter erzeugt und in manchen Fällen im Anschluss in ein optisches Gitter geladen. Die erreichten Phasenraumdichten der Molekülensembles waren zu gering, um Systeme mit geringer Entropie zu erzeugen. In dieser Dissertation wird eine neue Methode vorgestellt, bei der Ensembles aus schwachgebundenen, heteronuklearen Molekülen direkt in einem optischen Gitter erzeugt werden. Dadurch lassen sich deutlich niedrigere Entropien erreichen, was einen idealen Ausgangspunkt für weiterführende Experimente mit dipolaren Molekülen in Gittern darstellt. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert: Zunächst wird die Erzeugung von 87Rb133Cs-Molkülen, den dipolaren Molekülen unserer Wahl, allgemein beschrieben. Ausgangspunkt sind hierfür ultrakalte Ensembles aus Rb- und Cs-Atomen. Die Atome werden mit Hilfe einer Feshbach-Resonanz zu schwachgebundenen RbCs-Molekülen zusammengeführt. Anschließend werden die schwachgebundenen Moleküle
Ultracold molecules with electric dipole moments are currently of large interest to the community of experimental and theoretical quantum physicists. Due to the long lifetime of stable ground-state molecules in combination with the strong long-range interaction of the electronic dipole moments, dipolar molecules are ideal candidates to study exotic quantum phases in optical lattices, such as the many-body lattice super solid. Further potential applications of dipolar molecules are the simulation of spin systems, or to use them as a platform for quantum computation. Most of these proposals require a low-entropy sample of dipolar molecules in a lattice. However, it is a great experimental challenge to prepare such ultracold molecular samples in an optical lattice. In the past the realization of low-entropy samples of dipolar molecules in lattices was not feasible. The molecular samples were typically created in the absence of a lattice and in some cases the samples were loaded into an optical lattice subsequently. The resulting phase-space densities of the molecular samples were too low to form low-entropy samples. In this thesis a novel method is introduced that is based on the formation of weakly bound heteronuclear molecules directly in an optical lattice. This way, a significantly lower entropy can be achieved, which presents an ideal starting point to study dipolar molecules in a lattice. This thesis is structured as follows: Initially, the preparation of 87Rb133Cs ground-state molecules, the dipolar molecules of our choice, is introduced. We start from ultracold samples of Rb and Cs atoms. The atoms are associated to weakly bound RbCs molecules by means of a magnetic Feshbach resonance. Subsequently the weakly bound molecules are transferred to their rovibrational and hyperfine ground-state via stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP). Next, we demonstrate our method to form the weakly bound RbCs molecules directly in a three-dimensional (3D) optical lattice.
by Andreas Schindewolf
Kumulative Dissertation aus zwei Artikeln
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Dissertation University of Innsbruck 2018