Spin-Bahn-Kopplung in wechselwirkenden bosonischen Systemen: Dichte-abhängige Eichfelder und Flussleiter

• Antragstellerin: Professorin Dr. Leticia Tarruell
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277974659

Topologie ist ein Schlüsselkonzept der Physik und hat Auswirkungen auf unterschiedlichste Forschungsfelder, wie die Hochenergiephysik oder die Physik der kondensierten Materie. Hier erzeugt topologische Ordnung äußerst kontraintuitive Phänomene wie anyonische Anregungen in Quanten-Hall-Systemen oder das Auftreten von Eichtheorien in stark korrelierten Materialien. Ultrakalte atomare Gase unter Einwirkung von künstlichen Eichfeldern bilden eine ideale Plattform für die kontrollierte Simulation topologischer Systeme. In den letzten Jahren haben Experimente einen beeindruckenden Grad an Kontrolle über topologische Eigenschaften nicht-wechselwirkender Teilchen demonstriert. Dies ermöglicht die Konstruktion bedeutender topologischer Modell-Systeme, sowie den Zugang zu extremen Parameterregionen und Observablen, die in Festkörpersystemen nicht zugänglich sind. Die experimentelle Forschung auf stark wechselwirkende Systeme auszuweiten stellt jedoch eine große Herausforderung dar, sodass topologische Phasen in Vielteilchensystemen mit ultrakalten Atomen größtenteils unerforscht sind. In diesem Projekt werden wir mithilfe von Spin-Bahn gekoppelten ultrakalten bosonischen Gasen das Zusammenspiel von Topologie und Wechselwirkungen studieren und dabei auf den bereits gesammelten Erfahrungen der ersten Förderperiode aufbauen. Unsere Forschung wird sich in zwei Richtungen orientieren. Im Kontinuum werden wir künstliche dichteabhängige Eichfelder implementieren und untersuchen. In diesen verursachen interatomare Wechselwirkungen eine Rückwirkung der Materie auf das Eichfeld, wodurch eine wechselwirkende Eichtheorie realisiert wird. In optischen Gittern werden wir Leitergeometrien mit magnetischem Fluss, sogenannte Flussleitern, im Vielteilchenregime studieren, d.h. Versionen des berühmten Hofstadter Modells mit wenigen Gitterplätzen entlang einer Richtung. Wir werden das zugehörige Phasendiagramm sowie den Effekt von Wechselwirkungen auf Quenchdynamiken charakterisieren. Dieses Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit Theoriegruppen dieser Forschungsgruppe durchgeführt werden, sodass ein direkter Vergleich von Experiment und theoretischen Berechnungen ermöglicht wird.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2414: Artificial Gauge Fields and Interacting Topological Phases in Ultracold Atoms
• Internationaler Bezug: Spanien