Apparatur zur Erzeugung und Untersuchung von atomaren Fermigasen in zwei Dimensionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Untersuchung ultrakalter Fermigase in optischen Gittern hat das Ziel, Phänomene und Vorgänge in Festkörpern mit Hilfe von Ensembles aus gekühlten Atomen eins-zu-eins nachzustellen und präzise Experimentierbedingungen zu erzielen um grundlegende Effekte verstehen. Dies wird oft unter dem Begriff der „Quantensimulation“ zusammengefasst, d.h. mit gut-kontrollierbaren atomaren Systemen komplexe unverstandene Vorgänge in der Festkörperphysik zu emulieren. Seit Beschaffung des Geräts haben wir eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um das Verhalten von stark-wechselwirkenden Fermigasen in optischen Gittern zu erforschen. Für alle Messungen und Publikationen war das beschaffte Geräte von herausragender Bedeutung. Hinsichtlich des wissenschaftlichen Programms stand insbesondere das Wechselspiel von Dichte-Ordnung und magnetischer Ordnung von Fermigasen in periodischen Potentialen im Mittelpunkt und wir haben uns intensiv der Frage gewidmet, in welcher Form Fluktuationen der Dichte und der Magnetisierung für die Ausbildung von langreichweitiger Ordnung eine Rolle spielen. Insbesondere diente uns dabei die Thermodynamik als entscheidende Methode um mikroskopische und makroskopische Observablen miteinander zu verknüpfen, d.h. aus mikroskopisch gemessenen Fluktuationen (wie beispielsweise Teilchenzahlfluktuationen auf einem Gitterplatz des optischen Gitters) auf makroskopisch beobachtbare Größen (wie beispielsweise die Suszeptibilität) zu schliessen. In stark-wechselwirkenden Systemen sind diese Zusammenhänge bisher nur wenig erforscht und wenig verstanden, unter anderem auch weil theoretische Rechnungen sehr komplex sind. Daher stellen unsere Experimente verlässliche Referenzgrößen für moderne Theorien dar. Des Weiteren haben wir uns intensiv mit der Entstehung magnetischer Korrelationen zwischen Teilchen ohne magnetische Wechselwirkungen beschäftigt. Für ausreichend kalte Temperaturen kann die Austausch-Wechselwirkung magnetische Korrelationen hervorrufen und zur Ausbildung von anti-ferromagnetischer Ordnung führen. Wir haben diesen Prozess wiederum mittels thermodynamischer Messungen beobachtet und konnten zeigen, wie sich die Korrelation als Funktion von Temperatur und Wechselwirkungsstärke ausprägen und wo die optimalen Bereiche liegen. Darüberhinaus konnten wir experimentell zeigen, dass sich das Hubbard-Modell, was zur Beschreibung von Atomen in optischen Gittern verwendet wird, in bestimmten Parameterbereichen auf ein anderes, einfacheres Modell der Festkörperphysik (das Heisenberg Modell) abbilden lässt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Thermodynamics versus Local Density Fluctuations in the Metal–Mott-Insulator Crossover “, Physical Review Letters 117, 135301
J. H. Drewes, E. Cocchi, L. A. Miller, C. F. Chan, D. Pertot, F. Brennecke, and M. Köhl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.135301) - „Antiferromagnetic Correlations in Two- Dimensional Fermionic Mott- Insulating and Metallic Phase”, Physical Review Letters 118, 170401
J. H. Drewes, L. A. Miller, E. Cocchi, C. F. Chan, N. Wurz, M. Gall, D. Pertot, F. Brennecke, and M. Köhl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.170401) - „Equation of State of the Two-Dimensional Hubbard Model“, Physical Review Letters 116, 175301
Eugenio Cocchi, Luke A. Miller, Jan H. Drewes, Marco Koschorreck, Daniel Pertot, Ferdinand Brennecke, and Michael Köhl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.175301) - „Measuring Entropy and Short- Range Correlations in the Two- Dimensional Hubbard Model”, Physical Review X 7, 031025
E. Cocchi, L. A. Miller, J. H. Drewes, C. F. Chan, D. Pertot, F. Brennecke, and M. Köhl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevX.7.031025)
