German Title: Starke Korrelationen in Systemen mit wenigen Fermionen

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Abstract

In this thesis, I report on the deterministic preparation and the observation of strongly correlated few-fermion systems in single and double-well potentials. In a first experiment, we studied a system of one impurity interacting with a number of majority atoms which we prepared in a single potential well in the one-dimensional limit. With increasing number of majority particles, we observed a decrease in the quasi-particle residue which is in agreement with expectations from the Anderson orthogonality catastrophe. In a second experiment, we prepared two fermions in a double-well potential which represents the fundamental building block of the Fermi-Hubbard model. By increasing the repulsion between the two fermions, we observed the crossover into the antiferromagnetic Mott-insulator regime. Furthermore, I describe a new imaging technique, which allows spin-resolved single-atom detection both in in-situ and in time-of-flight. We use this technique to investigate the emergence of momentum correlations of two repulsive fermions in the ground state of the double well. With the methods developed in this thesis, we have established a framework for quantum simulation of strongly correlated many-body systems in tunable potentials.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt die deterministische Präparation von stark korrelierten Wenig-Teilchen Systemen und deren Untersuchung. Zunächst wurde ein System mit einem Minoritätsteilchen und einer variierenden Anzahl an Majoritätsteilchen im eindimensionalen Grenzfall präpariert. Mit steigender Anzahl an Majoritätsteilchen beobachteten wir eine Verringerung des Quasiteilchen-Residuums in Übereinstimmung mit den Erwartungen der Anderson Orthogonalitätskatastrophe. In einem zweiten Experiment präparierten wir zwei Fermionen in einem Doppelmuldenpotential. Dieses System repräsentiert den fundamentalen Baustein des fermionischen Hubbardmodells. Durch Vergrößerung der repulsiven Wechselwirkung zwischen den beiden Teilchen konnten wir den Übergang in den antiferromagnetischen Mott-Isolator-Bereich beobachten. Weiterhin wird eine neue Abbildungsmethode vorgestellt, die es ermöglicht einzelnen Atome spinaufgelöst sowohl in-situ als auch nach einer Flugzeit zu detektieren. Wir benutzen diese Methode um die Entstehung von Impulskorrelationen zwischen zwei repulsiven Teilchen im Grundzustand eines Doppeltopfes zu untersuchen. Die in dieser Arbeit entwichelten Methoden legen den Grundstein für die Quantensimulation von stark korrelierten Vielteilchensystemen in einstellbaren optischen Potentialen.