OSCAR - Bahn- und Spinströme in Kalten Atomischen Ringfälle

• Antragsteller: Professor Dr. Matteo Rizzi
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277810020

Kooperative Phänomene in Vielteilchensystemen haben zu einzigartigen Durchbrüchen in unserem physikalischen Verständnis geführt. Sie ermöglichen bspw. präzise Messungen von Naturkonstanten durch die nahezu exakte Quantisierung des Quanten-Hall-Widerstands oder des Josephson-Effekts in Supraleitern. Zudem haben diese Phänomene auch zu stillen Revolutionen unseres Alltags geführt, wie z.B. zur außergewöhnlichen Speicherkapazität ferromagnetischer Festplatten. Bei dem an wissenschaftlicher Bedeutung gewinnenden Transport in Nanostrukturen sind Vielteilcheneffekte dagegen noch nicht in das Blickfeld getreten, da sie häufig durch unkontrollierbare Störquellen und Bandstruktur-Effekte überdeckt werden.In diesem Projekt planen wir die Untersuchung der Spin- und Bahn-Response multikomponentiger Quantengase - ermutigt durch jüngste Fortschritte in der Speicherung und Handhabung von kalten Atomen in ringförmigen Fallen. Mit quantenoptischen Verfahren kontrollierte kalte Atome haben sich in der Tat als eine sehr präzise steuerbare Plattform für die Untersuchung kooperativer Phänomene erwiesen und erlauben es, traditionelle Grenzen der Festkörperphysik zu überwinden. Die mögliche Nutzung von Komponenten verschiedener statistischer Natur, die Verwirklichung synthetischer Eichpotentiale und kohärenter Kopplung, sowie der Zugang zur Nichtgleichgewichts-Physik sind nur einige der spektakulären Werkzeuge, die zur Erreichung dieses Ziels zur Verfügung stehen.Hierbei werden wir unsere Aufmerksamkeit auf das quasi-1D Regime richten, in dem Vielteilcheneffekte von überragender Bedeutung sind, und dabei besonders aufI. die magnetische Bahnsuszeptibilität von 1D-Dirac-Fermionen mit Wechselwirkungen,II. den Abfall von Spinströmen durch Vielteilcheneffekte (z.B. Spin-Drag) und den Einfluss der Teilchenstatistiken darauf,III. die Auswirkung von thermischen Fluktuationen und Unordnung auf diese Spin- und Bahn-Transport-Phänomene.Die Untersuchung von (I) könnte zur Entdeckung von extrem schwer erreichbaren Zuständen führen: Vielteilchen-Orbital-Paramagneten. Die Erforschung von Spinströmen in kalten Atomen in (II) könnte darüber hinaus unser Verständnis von Spintransport in Festkörper-Setups wie z.B. Spin-Bahn-gekoppelten halbleitenden Nanowires nachhaltig beeinflussen.Zur Untersuchung werden wir leistungsfähige numerische Techniken nutzen, die auf der Optimierung von geeigneten Tensor-Netzwerken basieren (ähnlich zu DMRG). Wo möglich, soll die Numerik durch analytische Ansätze vervollständigt werden. Besondere Aufmerksamkeit werden wir dabei auf die Identifizierung von Größen legen, die durch eine Kombination existierender Messprotokolle bestimmt werden können.Wir erwarten, dass dieses Projekt unser Verständnis des Einflusses von Vielteilcheneffekten auf Ladungs- und Spintransport erheblich erweitern wird.Wir werden grundlegende Fragen beantworten und Experimente mit kalten Atomen zur experimentellen Überprüfung unserer Vorhersagen vorschlagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Italien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gerhard Birkl; Professor Dr. Frank Hekking (†); Professor Dr. Simone Montangero; Professor Dr. Roman Orus; Professor Marco Polini; Dr. Alessio Recati; Professor Dr. Jairo Sinova, Ph.D.