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year 2020
author(s) Alexander Mil
title Experimental realization of U(1) gauge invariance in ultracold atomic mixtures
KIP-Nummer HD-KIP 20-80
KIP-Gruppe(n) F21,P1
document type Dissertation
Keywords ultracold atoms, experimental gauge fields, quantum simulation
Abstract (de)

Diese Arbeit berichtet über die experimentelle Realisierung eines elementaren Bausteins für analoge Quantensimulation einer U(1) Gittereichtheorie in einem Mischungsexperiment aus zwei bosonischen Quantengasen. Experimentell wird der Baustein durch Bose-Einstein Kondensate von Lithium (7Li) und Natrium (23Na) realisiert, die sich in einem optischen Fallenpotential benden. Eich - und Materiefreiheitsgrade werden in diesem System auf die internen Zustände der Atome abgebildet. Die notwendige U(1)-Eichinvarianz des Systems wird durch heteronukleare Spin-Austauschprozesse (SCC) zwischen den beiden Atomsorten realisiert.

Der Baustein stellt einen wichtigen Schritt in Richtung Quantensimulation erweiterter Gittereichtheorien dar, da er gleichzeitig einen systematischen Schutz der Eichinvarianz, das Potenzial für Skalierbarkeit und einen realistischen Ansatz für das Erreichen des Kontinuumslimit für die Eichfelder bietet. Durch die Verwendung von SCC wird systematischer Schutz der Eichinvarianz erreicht indem die inherente Drehimpulserhaltung des Systems ausgenutzt wird. Das Kontinuumslimit für die Eichfelder wird im Rahmen des Quantenlinkmodells erreicht, indem mit Bose-Einstein Kondensaten mit hoher Atomzahl in der Größenordnung von 105 gearbeitet wird. Unser Baustein lässt sich zu einer ausgedehnten U(1) Gittereichtheorie erweitern indem individuelle Bausteine auf den Gitterplätzen eines optischen Gitters angeordnet und mit Raman-unterstütztem Tunneln gekoppelt werden. Gute Durchstimmbarkeit unseres experimentellen Bausteins wird demonstriert indem die SCC-Dynamik als Funktion von verschiedenen experimentellen Parametern untersucht wird. Wir beobachten kohärente SCC-Dynamik zwischen beiden Atomsorten, nachdem wir das System mit einem Quench initialisieren. Darüber hinaus haben wir die SCC-Resonanz als Funktion dieses Quenches und des Magnetfeldes aufgnommen. Wir präsentieren eine theoretische Beschreibung unseres Bausteins, die auf einer Näherung bei großen Besetzungszahlen und einem phänomenologischen Dekohärenzterm basiert. Im Rahmen dieser Theorie lassen sich die SCC-Messungen hervorragend beschreiben. Diese Übereinstimmung identiziert unser experimentelles System als eine getreue Repräsentation des Bausteins. Unsere Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit für erweiterte Gittereichtheorien, die auf mehreren Bausteinen basieren. Diese Systeme ermöglichen die Quantensimulation von Eichtheorien mit dem Potenzial, wichtige Fragen der modernen Physik zu beantworten, die derzeit mit klassischen Computertechniken nicht simuliert werden können.

Abstract (en)

This thesis reports on the experimental realization of an elementary building block for analog quantum simulation of a U(1) lattice gauge theory in a mixture of two bosonic quantum gases. Experimentally, the building block is realized by Bose-Einstein condensates of lithium (7Li) and sodium (23Na) confined in a single optical dipole trap. Gauge and matter degrees of freedom are mapped in this system onto the internal states of the atomic species. The necessary U(1) gauge invariance is realized via heteronuclear spin changing collisions (SCC) between both species. The building block represents an important stepstone towards quantum simulation of extended lattice gauge theories as, within the same setting, it features systematic protection of gauge invariance, a realistic approach of the continuum limit for gauge fields and the potential for scalability. Using SCC, systematic protection of gauge invariance in the system is achieved by exploiting the inherent angular momentum conservation in the atomic mixture. The continuum limit of gauge fields is recovered in the framework of quantum link models by working with Bose-Einstein condensates with high atom numbers in the order of 10^5. The building block can be scaled up to an extended U(1) lattice gauge theory by arranging individual building blocks on the sites of an optical lattice and connecting them via Raman-assisted tunneling. Great tunability of our experimental building block is demonstrated by studying SCC dynamics as a function of various experimental parameters. We observe coherent SCC interactions between both species after an initialization quench. Furthermore, we recorded the SCC resonance as a function of this initialization quench and the offset magnetic field. We present a theoretical framewok for the building block model based on a mean field theory with a phenomenological decoherence term. Within this framework the experimental SCC measurements are excellently described, identifying our experimental system as a faithful representation of the building block. Our results open up the possibility for extended lattice gauge theories based on multiple building blocks. These systems will allow for quantum simulation of gauge theories with the potential to address important questions in modern physics that can currently not be simulated by classical computational techniques.

bibtex
@phdthesis{phdmil2020,
  author   = {Alexander Mil},
  title    = {Experimental realization of U(1) gauge invariance in ultracold atomic mixtures},
  school   = {Universit\"at Heidelberg},
  year     = {2020}
}
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