German Title: Wenigteilchen-Quantenmagnetismus mit ultrakalten Atomen

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Abstract

This thesis reports on the deterministic preparation of magnetically ordered states in systems of few fermionic atoms. We follow the concept of quantum simulation and use 6Li atoms in two different hyperfine states to mimic the behavior of electrons in a solidstate system. In a first experiment, we simulate the two-site Hubbard model by using two atoms in an isolated double-well potential. We prepare the two-particle ground state of this model with a fidelity exceeding 90%. By introducing strong repulsive interactions, we are able to realize a pure spin model and describe the energy spectrum with a two-site Heisenberg Hamiltonian. In a second experiment, we realize Heisenberg spin chains of up to four atoms in a single strongly-elongated trapping potential. Here, the atoms self-align along the potential axis due to strong repulsive interactions. We introduce two novel measurement techniques to identify the state of the spin chains and thereby confirm that we can deterministically prepare antiferromagnetic ground-state systems. This constitutes the first observation of quantum magnetism with fermionic atoms that exceeds nearest-neighbor correlations. Both the double-well system and the spin chains can be seen as building blocks of larger ground-state spin systems. Their deterministic preparation therefore opens up a new bottom-up approach to the experimental realization of quantum many-body systems with ultracold atoms.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt die deterministische Präparation von magnetisch geordneten Zuständen in Systemen, die aus wenigen fermionischen Atomen bestehen. Aufbauend auf der Idee der Quantensimulation verwenden wir dabei 6Li-Atome in zwei unterschiedlichen Hyperfeinzuständen, um das Verhalten von Elektronen in einem Festkörper zu imitieren. In einem ersten Experiment simulieren wir mit zwei Atomen in einem isolierten Doppelmuldenpotenzial das Hubbard-Modell mit zwei Gitterplätzen. Wir präparieren den Zweiteilchen-Grundzustand dieses Modelles mit einer Wahrscheinlichkeit von über 90%. Durch das Einführen starker repulsiver Wechselwirkungen ist es uns möglich ein reines Spinmodell zu realisieren, dessen Energiespektrum wir durch einen Heisenberg-Hamilton-Operator für zwei Teilchen beschreiben. In einem zweiten Experiment realisieren wir Heisenberg-Spinketten, die aus bis zu vier Atomen in einem stark gestreckten Fallenpotenzial bestehen. Aufgrund einer starken Abstoßung ordnen sich die Atome hierbei selbst entlang der Potenzialachse an. Wir führen zwei neue Messtechniken ein um den Zustand der Spinketten zu bestimmen und bestätigen, dass wir deterministisch antiferromagnetische Grundzustandssysteme präparieren können. Dies ist die erste Beobachtung von Quantenmagnetismus mit fermionischen Atomen, die Korrelationen zwischen nächsten Nachbarn überschreitet. Sowohl das Doppelmuldensystem als auch die Spinkette können als Bausteine für größere Grundzustandsspinsysteme gesehen werden. Mit ihrer deterministischen Präparation eröffnen wir somit einen neuen Ansatz zur experimentellen Realisierung von Quanten-Vielteilchensystemen mit ultrakalten Atomen.