Intrappolamento, caricamento e imaging di array di atomi di itterbio fermionici.

In recent years, a new generation of cold-atom experiments has emerged, realizing the vision of scalable quantum many-body systems with resolution at the single-particle level. In particular, arrays of optically trapped alkaline-earth-like atoms have become one of the leading platforms for quantum information processing, precision metrology and quantum simulation. In this thesis, we report on the construction and first results of a new single-atom-resolved experimental apparatus for quantum science with ytterbium atoms. We will report on the fundamental aspects of the experimental setup we have realized and on the tweezer-trapping and single-atom imaging of different ytterbium isotopes, focusing on fermionic species. In our experiment we load a tweezer array from a narrow-line MOT operating in a five-beam configuration, which had not been previously demonstrated for ytterbium. We can prepare and image single-atom arrays of different ytterbium isotopes, including Yb173, for which demonstrations of single-atom imaging were still lacking. We also present a fast and low-loss imaging scheme without active cooling, enabled by the favorable properties of ytterbium. Using a pulsed excitation scheme, we collect fluorescence on microsecond timescales, reaching single-atom discrimination fidelities above 99.9% and single-shot survival probabilities above 99.5%, also performing repeated detections with interleaved cooling pulses between images. Owing to its short timescale, this imaging scheme does not induce parity projection and enables number-resolved detection in multiply-filled traps. Leveraging such atom-counting capability, we investigate the dynamics of blue-detuned light-assisted collisions leading to enhanced loading in optical tweezer arrays. We also employ our scheme to detect atoms in tightly-spaced arrays or propagating in free space after being released from a single trap. Combining such fast imaging capability with techniques for the preparation of few-fermion ensembles, which we are working to extend to alkaline-earth-like atoms, will allow us to investigate SU(N)-symmetric and two-orbital models in mesoscopic systems.

Negli ultimi anni stiamo osservando l’emergere di una nuova generazione di esperimenti con atomi freddi, che ha realizzato la visione di sistemi quantistici a molti-corpi scalabili e con risoluzione al livello della singola particella. In particolare, gli array di atomi alcalino-terrosi intrappolati otticamente si sono affermati come una delle piattaforme più promettenti per l’elaborazione di informazione quantistica, la metrologia di precisione e la simulazione quantistica. In questa tesi presenteremo la costruzione e i primi risultati di un nuovo apparato sperimentale per lo studio della fisica quantistica con atomi di itterbio con risoluzione a singolo atomo. Descriveremo gli aspetti fondamentali dell’apparato realizzato e i risultati ottenuti nell’intrappolamento in optical tweezers e all’imaging di singoli atomi di diversi isotopi di itterbio, con particolare attenzione alle specie fermioniche. Nel nostro esperimento carichiamo un array di optical tweezers da una trappola magneto-ottica in una configurazione a cinque fasci, mai precedentemente dimostrata per l’itterbio. Siamo in grado di preparare e acquisire immagini di array di singoli atomi di diversi isotopi di itterbio, incluso Yb173, per il quale non erano ancora state riportate dimostrazioni di imaging a singolo atomo. Presentiamo inoltre uno schema di imaging rapido e a basse perdite, senza necessità di raffreddamento attivo, reso possibile dalle favorevoli proprietà dell’itterbio. Tramite impulsi di luce di imaging, raccogliamo la fluorescenza atomica su scale temporali dell’ordine del microsecondo, raggiungendo fidelity nella discriminazione di singoli atomi superiori a 99.9% e probabilità di sopravvivenza superiori al 99.5%. Possiamo inoltre realizzare immagini ripetute tramite impulsi di raffreddamento interposti tra immagini successive. Grazie alla sua rapidità, questo metodo di imaging non induce parity-projection e consente di contare il numero di atomi confinati in trappole con occupazioni multiple. Sfruttando tale capacità di, abbiamo studiato la dinamica delle collisioni assistite da luce blu-detuned che portano a un caricamento quasi deterministico di singoli atomi in optical tweezer arrays. Utilizziamo inoltre il nostro schema per rivelare atomi in array a passo ridotto o propaganti nello spazio libero dopo il rilascio da una singola trappola. La combinazione di questa capacità di imaging veloce con le tecniche di preparazione di insiemi di pochi fermioni, che stiamo estendendo ad atomi alcalino-terrosi, permetterà di indagare modelli SU(N)-simmetrici e a due orbitali in sistemi mesoscopici.