FOR 2414:  Artificial Gauge Fields and Interacting Topological Phases in Ultracold Atoms

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277974659

Eichfelder sind grundlegend für unser modernes Verständnis der Physik auf allen Skalen. Von der Hochenergiephysik bis hin zur Festkörperphysik bilden sie ein zentrales Hilfsmittel, um fundamentale physikalische Phänomene erfolgreich zu beschreiben. Vor Kurzem ist es gelungen künstliche Eichfelder in ultrakalten atomaren Gasen zu erzeugen. Damit haben sich weitreichende neue Möglichkeiten zur Quantensimulation von topologischen Quanteneffekten in neuen, wohlkontrollierten experimentellen Umgebungen ergeben. Durch geeignete Einstrahlung von Laserfeldern lassen sich dabei künstliche Eichfelder erzeugen, in denen sich die Atome bewegen. Die dabei realisierten Systeme können die Bewegung von Elektronen in ultrastarken Magnetfeldern, als auch die Dynamik von Elementarteilchen in nicht-Abelschen Eichfeldern nachbilden. Die Flexibilität und Abstimmbarkeit dieser künstlichen Eichfelder eignet sich insbesondere auch, um die Dynamik von Vielteilchensystemen in Eichfeldern zu untersuchen. In diesem Forschergruppenantrag planen wir die theoretische Untersuchung und die experimentelle Realisierung neuer topologischer Vielteilchenphasen, die durch künstliche Eichfelder in ultrakalten Atomen hervorgerufen werden können. Durch Verwendung neuester experimenteller, analytischer und numerischer Methoden werden wir versuchen topologische Phasen wie topologische Isolatoren und Superflüssigkeiten zu erzeugen und zu charakterisieren. Wir werden neue Verfahren entwickeln, um die topologischen Invarianten, die exotischen Transporteigenschaften und die besonderen Anregungen in diesen Systemen zu studieren. Ein spezielles Augenmerk wird auf dem Zusammenspiel von Wechselwirkungen zwischen den Atomen und künstlichen Eichfeldern liegen. Dabei werden wir neue Wege aufzeigen, um unter anderem topologische Mott Isolatoren, fraktionale Chern Isolatoren oder fraktionale Quanten Hall Flüssigkeiten zu realisieren und zu detektieren. Weiterhin planen wir die Nicht-Gleichgewichtsdynamik von wechselwirkenden Vielteilchensystemen in künstlichen Eichfeldern zu untersuchen und dabei neue Wege zur Realisierung von Nicht-Gleichgewichts-Topologischen-Materiephasen zu beschreiten. Durch die enge Kooperation zwischen experimentellen und theoretischen Arbeitsgruppen in dieser Forschergruppe erwarten wir das Verständnis über topologische Materiezustände zu erweitern und damit eventuelle Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung oder Spintronik aufzuzeigen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Spanien

Projekte

• Dynamische Eichfelder und fraktionale Chern Isolatoren (Antragsteller Grusdt, Fabian ;  Schollwöck, Ulrich )
• Floquet engineering und Kontrolle topologischer Systeme optischer Gitter (Antragsteller Eckardt, André )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Hofstetter, Walter )
• Quasi-eindimensionale Systeme mit nicht-trivialer Topologie: Nichtgleichgewicht, Transport und Randzustände (Antragsteller Heidrich-Meisner, Fabian ;  Kehrein, Stefan )
• Spin-Bahn-Kopplung in wechselwirkenden bosonischen Systemen: Dichte-abhängige Eichfelder und Flussleiter (Antragstellerin Tarruell, Leticia )
• Synthetische Eichfelder und Wechselwirkungseffekte (Antragstellerin Le Hur, Ph.D., Karyn )
• Topologische Effekte in Niedrig-Dimensionalen Quantengasen (Antragstellerinnen / Antragsteller Aidelsburger, Monika ;  Bloch, Immanuel )
• Topologische Materie, Anyonen und Vielteilchenverschränkung (Antragstellerin Paredes, Belén )
• Topologische Vielteilchenphasen von Bosonen und Fermionen in getriebenen optischen Gittern (Antragsteller Sengstock, Klaus ;  Weitenberg, Christof )
• Wechselwirkende und periodisch getriebene topologische Zustände: eine Studie mittels Dynamischer Mean-Field Theorie (Antragsteller Hofstetter, Walter )

• Sprecher: Professor Dr. Walter Hofstetter