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Abstract

In this thesis, I present the experimental exploration of emergent effects in a twodimensional gas of ultracold atoms. First, I describe a novel method to measure the momentum distribution of a strongly interacting gas. Using this technique, we map out the phase diagram of the 2D BEC-BCS crossover and measure the critical temperature for superfluidity. We observe, for the first time, the Berezinskii–Kosterlitz–Thouless phase transition in a Fermi gas that is characterized by algebraic decay of phase correlations. In a second experiment, we investigate fermion pairing in the normal phase using radio-frequency spectroscopy. We observe a crossover from two-body to many-body pairing at remarkably high temperatures, thus answering a long-standing question concerning the existence of a pseudogap in this system. In the next experiment, we address the question of scale-invariance breaking, also known as a quantum anomaly, in the dynamics of a 2D Fermi superfluid. We observe a striking manifestation of this quantum anomaly in the momentum-space dynamics of the system, which demonstrates that short-range fermionic interactions have a strong influence on long-range coherence in the system. By revealing the intriguing effects emerging from the interplay between fermionic statistics, strong interactions and reduced dimensionality, this thesis advances our general understanding of many-body quantum systems.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit präsentiere ich die experimentelle Erforschung emergenter Effekte in einem zweidimensional Gas ultrakalter Atome. Zuerst beschreibe ich eine neuartige Methode zum Messen der Impulsverteilung eines stark wechselwirkenden Gases. Wir verwenden diese Technik um das Phasendiagramm des 2D BEC-BCS Crossovers abzubilden und messen die kritische Temperatur für Superfluidität. Zum ersten Mal beobachten wir den Berezinskii–Kosterlitz–Thouless Phasenübergang in einem Fermigas, welcher durch einen algebraischen Zerfall der Phasenkorrelation charakterisiert ist. In einem zweiten Experiment verwenden wir Radiofrequenzspektroskopie um das Paaren von Fermionen in der normalen Phase zu untersuchen. Wir beobachten einen Übergang von Zweiteilchen- zu Vielteilchenpaaren bei bemerkenswert hohen Temperaturen und beantworten dadurch die seit langem bestehende Frage nach der Existenz einer Pseudogap in diesem System. Im nächsten Experiment behandeln wir die Frage nach der Skaleninvarianzbrechung, welche auch als Quantenanomalie bekannt ist, in der Dynamik eines 2D Fermi-Superfluids. Wir beobachten eine eindrucksvolle Manifestation dieser Quantenanomalie in der Impulsraumdynamik dieses Systems. Dies demonstriert, dass kurzreichweitige fermionische Wechselwirkungen starken Einfluss auf die langreichweitige räumliche Koherenz eines Superfluids haben können. Diese Arbeit legt die faszinierenden Effekte des Wechselspiels von fermionischer Statistik, straken Wechselwirkungen und verringerter Dimensionalität offen und entwickelt dadurch unser generelles Verständnis von Quantenvielteilchensystemen weiter.