Probing many-body physics with multiorbital quantum gases

This thesis reports on two experiments employing ultracold atoms to realize many-body physics in the presence of an orbital degree of freedom. In particular, we develop the experimental techniques to probe the Fermi polaron problem across an orbital Feshbach resonance and examine the relaxation dynamics in the one-dimensional mass-imbalanced Fermi-Hubbard model. Quasiparticles like the Fermi polaron constitute an elementary part of Landau's Fermi liquid theory and find extensive application in the description of interacting electron systems. In the first part of this thesis, we exploit the recently observed orbital Feshbach resonance in ytterbium to produce multiorbital Fermi polarons in mixtures of ground state and clock state atoms. To this end, we employ clock-line spectroscopy and identify the repulsive as well as attractive polaron in the many-body spectrum of the two-dimensional impurity-bath system. We also determine other important quasiparticle properties, namely, the residue and lifetime. Our measurement results agree well with a tailored many-body theory, thereby confirming the relevance of orbital interactions for the Fermi polaron problem. In the second experiment, we study the mass-imbalanced Fermi-Hubbard model with ytterbium atoms trapped in a state-dependent optical lattice for the ground and metastable clock state. Atomic populations are prepared in both of these states and correspond to heavy and light particles exhibiting vastly different dynamical time scales. Recently, such models have been extensively explored in the context of localization and thermalization in isolated quantum many-body systems. To probe non-equilibrium dynamics in our system, we record the density of the light species after adjusting the external trapping potential. In this way, we identify a strong suppression of transport at early times and slow relaxation at late times, with a significant dependence on the dynamical time scale and interaction strength of both species. Our results demonstrate the emergence of metastability and extremely slow thermalization due to dynamical constraints. The implementations of multiorbital many-body physics established within this thesis pave the way for quantum simulators that could shed light on open questions in condensed-matter theory.Diese Arbeit präsentiert zwei Experimente, welche für die Realisierung von Vielteilchenphysik mit einem orbitalen Freiheitsgrad ultrakalte Atome verwenden. Insbesondere werden im Rahmen dieser Arbeit experimentelle Techniken entwickelt, um das Fermi-Polaron-Problem in der Nähe einer orbitalen Feshbach-Resonanz zu untersuchen und die Relaxationsdynamik im eindimensionalen Fermi-Hubbard-Modell mit ungleichen Massen zu analysieren. Quasiteilchen wie das Fermi-Polaron sind ein elementarer Bestandteil von Landaus Fermi-Flüssigkeits-Theorie und finden umfangreiche Anwendung bei der Beschreibung wechselwirkender Elektronensysteme. Im ersten Teil dieser Arbeit benutzen wir die kürzlich entdeckte orbitale Feshbach-Resonanz in Ytterbium, um multiorbitale Fermi-Polaronen in Mischungen aus Atomen im Grundzustand und metastabilen Uhrenzustand zu erzeugen. Zu diesem Zweck setzen wir spektroskopische Messungen auf dem Uhrenübergang ein und identifizieren das attraktive als auch das repulsive Polaron im Vielteilchenspektrum des zweidimensionalen Teilchen-Bad-Systems. Außerdem bestimmen wir weitere wichtige Eigenschaften dieses Quasiteilchens—nämlich das Residuum und die Lebensdauer. Die Resultate unserer Messungen stimmen gut mit einer spezifischen Vielteilchentheorie überein und bestätigen damit die Bedeutung orbitaler Wechselwirkungen für das Fermi-Polaron-Problem. Im zweiten Experiment untersuchen wir das Fermi-Hubbard-Modell für ungleiche Massen mit Ytterbium-Atomen, die in einem zustandsabhängigen optischen Gitter für den Grundzustand und metastabilen Uhrenzustand gefangen sind. In diesen beiden Zuständen werden Atome präpariert und entsprechen dabei schweren und leichten Teilchen, die sehr unterschiedliche dynamische Zeitskalen aufweisen. Zuletzt wurden solche Modelle ausführlich im Zusammenhang von Lokalisierungs- und Thermalisierungsprozessen in isolierten Quanten-Vielteilchen-Systemen erforscht. Um die Nicht-Gleichgewichtsdynamik in unserem System zu untersuchen, zeichnen wir die Dichte der leichten Spezies auf, nachdem das externe Fallenpotential geändert wurde. Auf diese Weise identifizieren wir eine starke Unterdrückung des Transports zu frühen Zeiten und eine langsame Relaxation zu späten Zeiten mit signifikanter Abhängigkeit von der dynamischen Zeitskala und der Wechselwirkungsstärke beider Spezies. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Metastabilität und extrem langsame Thermalisierung aufgrund dynamischer Einschränkungen auftreten können. Die in dieser Arbeit entwickelten Experimente zu multiorbitaler Vielkörperphysik ebnen den Weg für Quantensimulatoren, die offene Fragen zu Theorien kondensierter Materie beantworten könnten