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Abstract

The thesis deals with the experimental study of dilute ultracold gases of Cs-133 atoms mixed with a degenerate Fermi Sea of Li-6 atoms. It focuses on the problem of the coupling of an impurity to a surrounding quantum bath, which can be described as a quasi-particle known as polaron. The large mass imbalance between the impurity (Cs) and the bath (Li) leads to unique many-body phenomena, but also poses significant experimental challenges for mixing the two species at ultracold temperature where Li is quantum degenerate. In this work, we realize a mixture of a degenerate Li Fermi Sea and a dilute thermal Cs gas by adopting a bichromatic trapping approach and implementing a tightly confining and movable single beam trap for Li at the Cs tune-out wavelength. This allows the sequential preparation of the Li Fermi Sea, which can be overlapped with Cs atoms in a controlled manner, compensating for the differential gravitational sag between the two species. To probe the Fermi-polaron scenario, an optical spectroscopic method based on two-photon Raman transitions between the two lowest Zeeman states of Cs is implemented. Guided by theoretical predictions of the polaron spectral function, ejection spectroscopy on Cs impurities is performed to map the polaron energy spectrum as a function of interaction strength near a Li-Cs Feshbach resonance at 890 G, which provides high tunability of the interspecies interactions. Limitations to this kind of experiments and strategies to overcome them are discussed, laying the groundwork for exploring polaron physics with heavy mass impurities.

Translation of abstract (German)

Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung ver-dünnter ultrakalter Gase aus Cs-133-Atomen, die mit einem entarteten Fermi-See aus Li-6-Atomen gemischt sind. Im Mittelpunkt steht das Problem der Kopplung einer Verunreinigung an ein umgebendes Quantenbad, das als Quasiteilchen, als Polaron, beschrieben werden kann. Das große Massenungleichgewicht zwischen der Verunreinigung (Cs) und dem Bad (Li) führt zu einzigartigen Vielkörperphänomenen, stellt aber auch eine große experimentelle Herausforderung für die Mischung der beiden Spezies bei ultrakalten Temperaturen dar, bei denen Li quantendegeneriert ist. In dieser Arbeit realisieren wir eine Mischung aus einem entarteten Li-Fermi-See und einem verdünnten thermischen Cs-Gas, indem wir eine bichromatische Falle verwenden, wofür wir eine eng begrenzte und bewegliche optische Einzelstrahlfalle für Li bei der Cs tune-out-Wellenlänge implementieren. Dies ermöglicht die sequenzielle Präparation eines Li-Fermi-Sees, der auf kontrollierte Weise mit Cs-Atomen überlagert werden kann, wodurch die unterschiedliche gravitative Verschiebung zwischen den beiden Spezies kompensiert wird. Um das Fermi-Polaron-Szenario mithilfe optischer Spektroskopie zu untersuchen, wird ein Zwei-Photonen-Raman-Übergang zwischen den beiden niedrigsten Zeeman-Zustän-den von Cs eingesetzt. Geleitet von theoretischen Vorhersagen der Polaron-Spektralfunk-tion wird Ejektionsspektroskopie an Cs-Verunreinigungen durchgeführt, um das Energie-spektrum des Polarons als Funktion der Wechselwirkungsstärke abzubilden. Dabei ermöglicht eine Li-Cs-Feshbach-Resonanz bei 890 G die hohe Einstellbarkeit der Wechselwirkung zwischen den Spezies. Beschränkungen dieser Art von Experimenten und Möglichkeiten zu deren Überwindung werden erörtert, wodurch die Grundlage für die Erforschung der Polaronphysik mit schweren Verunreinigungen geschaffen wird.