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1. Hilker, Timon. Spin-resolved microscopy of strongly correlated fermionic many-body states.

Degree: PhD, Physik, 2017, Ludwig-Maximilians-Universität

Mit ultrakalte Gasen in optischen Gittern lassen sich stark wechselwirkende Quantenvielteilchensysteme auf der Ebene einzelner Spins untersuchen. Diese Doktorarbeit fasst den Aufbau und die ersten Ergebnisse eines Quantengasmikroskops mit fermionischen Li-6 Atomen zusammen. Wir konnten erstmals antiferromagnetische Spinkorrelationen in Hubbard-Systemen beobachten und in eindimensionalen Systeme die Trennung von Ladungs- und Spinfreiheitsgraden mit Korrelationen nachweisen, die im thermischen Gleichgewicht gemessen wurden. Die Grundlage für diese Experimente ist das Quantengasmikroskop, welches während der Doktorarbeit geplant und aufgebaut wurde. Die Bilder, die man damit nehmen kann, sind Momentaufnahmen eines Quantenvielteilchensystems, auf denen man alle Atome einzeln auf ihren jeweiligen Gitterplätzen erkennen kann. Wir produzieren ein ultrakaltes Quantengas mit Standardverfahren wie Laserkühlung, optischen Fallen und Verdunstungskühlung und laden es in eine einzelne Ebene eines dreidimensionalen optischen Gitters. Vor dem Abbilden wird jedes Atom entsprechend seines Spin mit einem Stern-Gerlach-Magnetfeld um einen halben Gitterplatz nach links oder rechts verschoben. Zur Abbildung der Atome messen wir die Fluoreszenz eines Raman-Seitenbandkühlprozesses, welcher in einem zusätzlichen sehr tiefen optischen Gitter abläuft, und können so 97% der Atome erfolgreich detektieren. Ein Kapitel dieser Arbeit widmet sich den Details dieses Prozesses und kann die verbliebenen Verluste durch eine Nichtgleichgewichtsverteilung der lokalen Anregungen erklären. Die Messung der Dichteverteilung der stark wechelwirkenden Atome im inhomogenen Gitter erlaubt es die Zustandsgleichung des Fermi-Hubbard-Models zu bestimmen. Dabei beobachten wir die starke Unterdrückung der Kompressibilität in der Mott-Isolator-Phase. Mit unseren hochaufgelösten Bildern können wir auch die Dichtekorrelationen des Systems messen und so das Fluktuations-Dissipations-Theorem bestätigen, welches die Kompressibilität in Beziehung zu der Summe aller Dichtefluktuationen setzt. Für eine Entropie pro Teilchen von weniger als log(2) kB zeigt der Mott-Isolator antiferromagnetische Spinkorrelationen aufgrund der Austauschwechselwirkung. In eindimensionalen Spinketten konnten wir diese magnetische Ordnung bis zu einer Distanz von vier Gitterplätzen direkt messen. Die Stärke der beobachteten Korrelationen stimmt sehr gut überein mit Quanten-Monte-Carlo-Rechnungen bei einer Temperatur von einem Achtel der Bandbreite, welches einer Entropie von 0.4 kB pro Atom entspricht. Für Spinketten mit weniger als einem Atom pro Gitterplatz sehen wir eine charakteristische Verschiebung der Spinkorrelationen zu größeren Wellenlängen, die der einer Luttinger Flüssigkeit entspricht. Besonders interessante physikalische Phänomene treten auf, wenn man den Spinfreiheitsgrad mit der Bewegung der Atome koppelt. In eindimensionalen Systemen tritt hier die Spin-Ladungs-Trennung auf, die einem Loch eine freie Bewegung durch eine Spinkette ermöglicht. Allerdings scheint diese… Advisors/Committee Members: Bloch, Immanuel (advisor).

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APA (6th Edition):

Hilker, T. (2017). Spin-resolved microscopy of strongly correlated fermionic many-body states. (Doctoral Dissertation). Ludwig-Maximilians-Universität. Retrieved from https://edoc.ub.uni-muenchen.de/21633/

Chicago Manual of Style (16th Edition):

Hilker, Timon. “Spin-resolved microscopy of strongly correlated fermionic many-body states.” 2017. Doctoral Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität. Accessed January 21, 2018. https://edoc.ub.uni-muenchen.de/21633/.

MLA Handbook (7th Edition):

Hilker, Timon. “Spin-resolved microscopy of strongly correlated fermionic many-body states.” 2017. Web. 21 Jan 2018.

Vancouver:

Hilker T. Spin-resolved microscopy of strongly correlated fermionic many-body states. [Internet] [Doctoral dissertation]. Ludwig-Maximilians-Universität; 2017. [cited 2018 Jan 21]. Available from: https://edoc.ub.uni-muenchen.de/21633/.

Council of Science Editors:

Hilker T. Spin-resolved microscopy of strongly correlated fermionic many-body states. [Doctoral Dissertation]. Ludwig-Maximilians-Universität; 2017. Available from: https://edoc.ub.uni-muenchen.de/21633/

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