A general quantum-engineering technique for efcient production of ultracold dipolar molecules

In dieser Arbeit berichte ich über eine universell einsetzbare Methode zur Erzeugung eines Ensembles mit niedriger Entropie aus heteronuklearen Molekülen. Die Zielsetzung ist die quantenphysikalische Konstruktion eines ausgeprägt dipolaren Quantengases mit einem einzelnen Teilchen an jedem Gitterplatz. Zuerst steht die überarbeitete, zeitgleiche Produktion zweier quantenentarteter Ensembles von 87 Rb und 133 Cs unter Berücksichtigung der folgenden Manipulationsschritte im Vordergrund. Danach laden wir die beiden räumlich getrennten Bose-Einstein Kondensate aus Rb und Cs kontrolliert in ein optisches Gitter, sodass wir einen Cs Mott Isolator mit genau einem Cs Atom pro Gitterplatz erschaffen um Teilchenverluste zu verhindern. Die Gittertiefe wird so hochgefahren, dass sich zeitglich ein Rb Superuid im Gitter ausbilden kann, was fundamental für den nächsten Schritt ist, da in diesem das superuide Rb mit einer beweglichen Dipolfalle in Richtung dem Cs Mott Isolator bewegt wird und schließlich mit diesem zur vollständigen Überlagerung gebracht wird. Dazu wird auch eine magnetische Feshbach Resonanz eingesetzt um die interspezies Wechselwirkung auszuschalten und die Überlagerung überhaupt zu ermöglichen. Durch die außerdem gegebene repulsive intraspezies Wechselwirkung bei Rb is es möglich genau ein Rb-Cs Atompaar pro Gitterplatz zu erzeugen, sodass eine adiabatische Magnetfeldrampe angewendet werden kann um aus den Rb-Cs Paaren RbCs Moleküle zu erzeugen. Anschließender kohärenter adiabatischer Transfer durch stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) ermöglicht den Transfer der schwach gebundenen Moleküle in den rovibronischen Grundzustand. Mittels eines elektrischen Feldes kann das Ensemble polarisiert und die Stärke der langreichweitigen Dipol-Dipol Wechselwirkung eingestellt werden. Diese Arbeit konnte erfolgreich ein bisher unerreichtes Gitterfüllungsverhältnis mit Molekülen von über 30% nachweisen. Es wird erwartet, dass dieser Wert durch einige Verbesserungen, die ebenfalls in dieser Arbeit beschrieben werden, weiter gesteigert werden kann. Die hier vorgestellte Methode ermöglicht die efziente Erzeugnung eines Systems mit einstellbarer, langreichweitiger Wechselwirkung, welches sich perfekt für Quantensimulationsexperimente, Tests von Naturkonstanten und Untersuchung neuartiger Materiezuständen eignet.This thesis reports on an universal method for highly efcient production of a low entropy ensemble of heteronuclear molecules. The goal is to efciently "quantum-engineer" a strongly dipolar quantum gas in an optical lattice with unity lling. First, the simultaneous production of two quantum degenerate samples of 87 Rb and 133 Cs is revisited in view of the subsequent manipulation steps. Then we load the two spatially separated Bose- Einstein condensates of Rb and Cs into an optical lattice and we create a Mott insulator of Cs with exactly one atom per lattice site to suppress loss. The lattice depth is adjusted to simultaneously support a superuid of Rb which is of fundamental importance because in the next step we move Rb towards the Cs Mott insulator with the movable Rb trap. A magnetic Feshbach resonance is used to tune the interspecies interactions to zero and to merge both atomic samples. In combination with the repulsive Rb-Rb interactions, Rb-Cs precursor pairs can form on each individual lattice site. An adiabatic magnetic-eld ramp associates the paired atoms to RbCs molecules. Coherent adiabatic transfer by stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) can be applied to subsequently transfer the weakly-bound molecules to the rovibronic ground state. An electrical eld can be used to polarize the ensemble and to tune the long-range dipole-dipole interactions. This work succeeded in producing an outstanding lling fraction of more than 30% of molecules in an optical lattice. This value can be pushed much higher by several improvements, which will be discussed in this work. The method developed in this thesis provides a system with tunable long-range interactions, perfectly suited for quantum-simulation experiments, tests of fundamental constants and investigations of novel states of matter.by Lukas K. ReichsöllnerZusammenfassung in deutscher SpracheUniversität Innsbruck, Dissertation, 2017OeBB(VLID)226874