Supraflüssigkeit in zweidimensionalen, ultra-kalten Atomwolken

• Antragsteller: Professor Dr. Ludwig Mathey
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262440178

Wir werden Suprafluidität in ultrakalten Atomwolken untersuchen. Viele Aspekte dieses faszinierende Phänomens sind nach wie vor unverstanden. Mit der Realisierung von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC) aus kalten atomaren Gasen wurde eine neue Versuchsumgebung erstellt, in der die Eigenschaften der Supraflüssigkeit unter wohldefinierten Bedingungen untersucht werden können. In einem kürzlich durchgeführten Experiment der Dalibard Gruppe an der ENS, Paris, wurde ein zweidimensionales Kondensat mit einem Laser gerührt, und die Eigenschaften des suprafluiden Systems gemessen. In diesem Projekt werden wir dieses Experiment mit einer theoretischen Studie ergänzen und darüberhinaus weitere allgemeine Fragen stellen, z.B. wie sich die suprafluiden Eigenschaften in der Nähe des Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) Übergangs verhalten. Zunächst werden wir das Experiment in seiner jetzigen Form simulieren, mit einer numerischen Implementierung der Truncated Wigner Approximation, und unsere Resultate quantitativ mit den experimentellen Ergebnissen vergleichen. Die Truncated Wigner Approximation geht über die Gross-Pitaevskii Gleichung (GPE) hinaus, da sie die nächste Ordnung von thermischen und Quantenfluktuationen berücksichtigt. Während es bereits viele numerische Untersuchungen der Dynamik von BECs mithilfe der GPE gibt, sind in 2D Kondensaten die Phasenfluktuationen von entscheidender Bedeutung. Dies erfordert eine "post-GPE"-Methode wie eben die Truncated Wigner Approximation. Darüberhinaus ermöglicht diese Simulation das Verständnis des Dissipationsprozesses, beispielsweise, ob die Erzeugung von Vortices der Hauptmechanismus ist. Neben der numerischen Arbeit werden wir den Mechanismus der Dissipation auch analytisch untersuchen. Wir werden zunächst mit einem Bogoliubov Ansatz arbeiten, und dann zu höherer Ordnung gehen. In der nächsten Phase dieses Projektes werden wir die superfluiden Eigenschaften in der Nähe des BKT Übergangs untersuchen. Neben der numerischen Simulation werden wir eine real-time Renormierungsgruppen Rechnung durchführen. Dies ist eine neue Methode, um kritische Dynamik analytisch zu beschreiben. Dies wird einen Einblick in das Zusammenspiel von Suprafluidität und kritischen Phänomenen geben. Außerdem werden wir die Kohärenzeigenschaften von 2D Bose Gasen mithilfe der Dichte Korrelationen der expandierenden Atomwolke in time-of-flight studieren. Zunächst werden die Atome in der Falle gehalten. Dann wird die Falle deaktiviert und die Atomwolke expandiert. Nach einer Expansionszeit werden die Korrelationen der Dichte gemessen. Diese Korrelationsfunktion enthält Informationen über die Kohärenzeigenschaften des ursprünglichen Systems, insbesondere die Phasenfluktuationen. Wir werden diese Dichtekorelationen berechnen und analytische Ausdrücke herleiten. Hierbei werden wir direkt mit experimentellen Gruppen zusammen arbeiten, und untersuchen, ob man anhand dieser Korrelationen die kondensierteund die thermische Phase unterscheiden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen