Quantum-gas microscopy of strontium Bose- and Fermi-Hubbard systems

Abstract

(English) Ultracold atoms have proven to be a valuable asset to study and understand complex quantum many-body systems in a well-controlled setting. In particular, quantum-gas microscopes provide unprecedented access to local observables and allow one to investigate those systems at the level of each individual particle, giving new insights on their behaviour. While so far most of these microscopes used alkali atoms, the distinct properties of alkaline-earth atoms, in particular strontium, combined with quantum-gas microscopy are expected to shed new light on a broad variety of many-body problems. This thesis describes the realization of single-site-resolved imaging for both bosonic and fermionic strontium atoms in a Hubbard-regime optical lattice, which unlocks the possibility to study novel types of Bose- and SU(N) Fermi-Hubbard systems.

An essential step in ultracold-atom experiments is the preparation of a quantum degenerate cloud. In the first part of this thesis, we discuss the methods we have implemented in our apparatus to achieve this goal. We developed a new resonant-shielding method to double the atom number during the first cooling stage in a broad-linewidth blue magneto-optical trap. During the second cooling stage in a narrow-linewidth red magneto-optical trap, the hyperfine structure of the fermionic atoms adds additional challenges which are addressed by mixing the hyperfine states with an additional laser for efficient trapping and cooling. After the laser-cooling stages, we perform evaporative cooling in a far red-detuned optical potential before loading the atoms into a two-dimensional optical lattice. The lattice laser operates at the clock-magic wavelength of strontium (813.4nm) which will enable high-precision measurements in future experiments.

To image the individual atoms in the optical lattice, we place a high-NA objective in close vicinity to the atoms. We demonstrate single-atom resolution for bosonic and fermionic strontium and successfully reconstruct the lattice occupation for both of them, reaching fidelities as high as 96%. For the bosonic Sr-84 atoms, we induce fluorescence on the blue broad-linewidth transition and simultaneously perform attractive Sisyphus cooling on the red narrow-linewidth transition. Moreover, combining this imaging method with momentum-space detection, we observe the matter-wave interference arising from the phase coherence of the Bose-Hubbard superfluid. For the fermionic Sr-87 atoms, we image with the red transition only, which allows us to obtain for the first time for a fermionic alkaline-earth atom both single-atom resolution and spin-resolved detection.

This thesis has combined, for the first time, quantum-gas microscopy with ultracold strontium and its distinct spectral properties. This platform should enable a broad range of future studies. For the bosons, it unlocks investigation of the single-atom-resolved dissipative Bose-Hubbard systems and the exploration of collective atom-photon scattering in ordered atomic arrays. For the fermions, the spin-dependent single-atom detection provides the ideal setting for investigations of antiferromagnetic correlations in SU(N≤10) Fermi-Hubbard systems and the realization of exotic magnetic phases.

(Català) Els àtoms ultrafreds han demostrat ser un recurs valuós per l’estudi i la comprensió de sistemes quàntics de molts cossos en un entorn controlat. En particular, els microscopis de gasos quàntics proporcionen un accés sense precedents a observables locals i permeten investigar aquests sistemes a nivell de cada partícula individual, oferint noves perspectives sobre el seu comportament. Malgrat que fins ara la majoria d’aquests microscopis han utilitzat àtoms alcalins, s’espera que les propietats distintives dels àtoms alcalinoterris, en particular l’estronci, combinades amb la microscòpia de gasos quàntics, aportin nova llum a una àmplia varietat de problemes de molts cossos. Aquesta tesi descriu la realització d’imatges amb resolució d’un sol punt de xarxa per a àtoms d’estronci bosònics i fermiònics en una xarxa òptica al règim de Hubbard. Aquest resultat desbloqueja la possibilitat d’estudiar nous tipus de sistemes de Bose-Hubbard i Fermi-Hubbard SU(N).

Un pas essencial en els experiments d’àtoms ultrafreds és la preparació d’un núvol quàntic degenerat. A la primera part d’aquesta tesi, discutim els mètodes implementats al nostre aparell per aconseguir aquest objectiu. Hem desenvolupat un nou mètode de protecció en ressonància que duplica el nombre d’àtoms a la primera etapa de refredament, la trampa magneto-òptica blava de transició ampla. Durant la segona etapa de refredament en una trampa magneto-òptica vermella de línia estreta, l’estructura hiperfina dels àtoms fermiònics presenta nous reptes, que abordem barrejant els estats hiperfins amb un làser addicional per atrapar i refredar els àtoms eficientment. Després de les etapes de refredament làser, realitzem refredament per evaporació en una trampa dipolar abans de carregar els àtoms en una xarxa òptica bidimensional. El làser de la xarxa opera a la longitud d’ona màgica per a la transició rellotge de l’estronci (813.4nm), que permetrà mesures d’alta precisió en experiments futurs.

Per prendre imatges dels àtoms individuals a la xarxa òptica, col·loquem un objectiu de microscopi d’alta obertura numèrica a poca distància dels àtoms. Hem demostrat la detecció d’àtoms individuals per a estronci bosònic i fermiònic, i hem reconstruït l’ocupació a la xarxa per a ambdós, assolint fidelitats de fins a un 96%. Per a l’isòtop bosònic de 84-Sr, hem induït fluorescència en la transició ampla blava i simultàniament hem realitzat refredament atractiu de Sísif en la transició estreta vermella. A més, mitjançant la combinació d’aquest mètode i la detecció en l’espai de moments, hem aconseguit observar la interferència de l’ona de matèria que sorgeix de la coherència de fase del superfluid Bose-Hubbard. Per als àtoms fermiònics de 87-Sr, només hem utilitzat la transició vermella per a la fluorescència, cosa que ens permet obtenir per primera vegada tant la resolució d’àtoms individuals com la detecció de l’estat d’espín en àtoms alcalinoterris.

Aquesta tesi ha combinat, per primera vegada, la microscòpia de gasos quàntics amb l’estronci ultrafred i les seves propietats espectrals distintives. Aquesta plataforma habilita una àmplia varietat d’estudis en el futur. Per als bosons, desbloqueja la investigació de sistemes Bose-Hubbard dissipatius amb detecció d’àtoms individuals, així com l’exploració de la interacció col·lectiva d’àtoms i fotons en matrius ordenades d’àtoms. Per als fermions, la detecció individual d’àtoms i el seu estat d’espín proporciona l’entorn ideal per investigar les correlacions antiferromagnètiques en sistemes SU(N≤10) de Fermi-Hubbard i la realització de fases magnètiques exòtiques.

(Español) Los átomos ultrafríos han demostrado ser un recurso valioso para el estudio y la comprensión de sistemas cuánticos de muchos cuerpos en un entorno controlado. En particular, los microscopios de gases cuánticos proporcionan un acceso sin precedentes a observables locales y permiten investigar esos sistemas a nivel de cada partícula individual, ofreciendo nuevas perspectivas sobre su comportamiento. Aunque hasta ahora la mayoría de estos microscopios han utilizado átomos alcalinos, se espera que las propiedades distintivas de los átomos alcalinotérreos, en particular el estroncio, combinadas con la microscopía de gases cuánticos, arrojen nueva luz sobre una amplia variedad de problemas de muchos cuerpos. Esta tesis describe la realización de imágenes con resolución de átomo único de la red para estroncio bosónico y fermiónico en una red óptica en régimen de Hubbard. Este resultado abre la posibilidad de estudiar nuevos tipos de sistemas de Bose-Hubbard y Fermi-Hubbard SU(N).

Un paso esencial en los experimentos de átomos ultrafríos es el de preparar una nube cuántica degenerada. En la primera parte de esta tesis, discutimos los métodos implementados en nuestro aparato para lograr este objetivo. Hemos desarrollado un nuevo método de protección sobre una transición en que duplica el número de átomos en la primera etapa de enfriamiento, la trampa magneto-óptica azul sobre la transición ancha. Durante la segunda etapa de enfriamiento en una trampa magneto-óptica roja sobre la línea estrecha, la estructura hiperfina de los átomos fermiónicos presenta nuevos desafíos, que abordamos mezclando los estados hiperfinos con un láser adicional para lograr un atrapamiento y enfriamiento eficiente. Después de las etapas de enfriamiento láser, realizamos enfriamiento por evaporación en una trampa dipolar antes de cargar los átomos en una red óptica bidimensional. El láser de la red opera a la longitud de onda mágica para la transición reloj del estroncio (813.4nm), lo que permitirá mediciones de alta precisión en futures experimentos.

Para tomar imágenes de los átomos individuales en la red óptica, colocamos un objetivo de microscopio de alta apertura numérica a poca distancia de los átomos. Demostramos la detección de átomos individuales para estroncio bosónico y fermiónico, y reconstruimos la ocupación en la red para ambos, alcanzando fidelidades de hasta un 96%. Para el isótopo bosónico de Sr-84, inducimos fluorescencia en la transición ancha azul y simultáneamente realizamos enfriamiento atractivo de Sísifo en la transición estrecha roja. Además, mediante la combinación este método y la detección en el espacio de momentos, conseguimos observar la interferencia de la onda de materia que surge de la coherencia de fase del superfluido de Bose-Hubbard. Para los átomos fermiónicos de Sr-87, utilizamos solo la transición roja para la fluorescencia, lo que nos permite obtener por primera vez tanto resolución de átomos individuales como detección del estado de espín en átomos alcalinotérreos.

Esta tesis ha combinado, por primera vez, la microscopía de gases cuánticos con el estroncio ultrafrío y sus propiedades espectrales distintivas. Esta plataforma habilita una amplia variedad de futuros estudios. Para los bosones, permite la investigación de sistemas Bose-Hubbard disipativos con detección de átomos individuales así como la exploración de la interacción colectiva de átomos y fotones en matrices ordenadas de átomos. Para los fermiones, la detección individual de átomos y su estado de espín proporciona el entorno ideal para investigar las correlaciones antiferromagnéticas en sistemas SU(N ≤10) de Fermi-Hubbard y la realización de fases magnéticas exóticas.