Der Kondo-Effekt in ultrakalten Atomen

• Antragsteller: Professor Dr. Fred Jendrzejewski
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 377616843

Die Einfachheit von Störstellen-Modellen, gepaart mit dem oft fundamentalen Einfluss der Störstelle auf die makroskopischen Eigenschaften des Systems, macht sie zu fruchtbaren Startpunkten für die Studie von offenen Fragen der Physik. Wir beabsichtigen mit ultrakalten atomaren Mischungen das Kondo-Störstellen-Modell als experimentelle Benchmark für offene Fragen, wie dynamische Eigenschaften stark-korrelierter Systeme und die Entstehung von nicht-Fermi-Flüssigkeiten, zu implementieren. Das 'Ein-Kanal' Kondo-Modell beschreibt die antiferromagnetische Kopplung einer lokalisierten Störstelle an ein Meer von Spin-1/2 Fermionen. Für hohe Temperaturen kann die Störstelle perturbativ behandelt werden, aber für niedrige Temperaturen bindet sie ein Fermion in ein Singlet. Im Grundzustand ist sie deshalb komplett von den anderen Fermionen durch die Kondo-Wolke abgeschirmt. Der Übergang in der Gegend der Kondo-Temperatur kann nicht mit Störungsansätzen behandelt werden und ist eine Standard-Benchmark für nicht-perturbative Methoden. Die Situation ändert sich dramatisch im 'Multi-Kanal' Kondo-Modell, in welchem eine einzige Störstelle an mehrere Kanäle von Spin-1/2 Fermionen gekoppelt ist. In diesem Fall ist der Grundzustand eine Überlagerung von Singlets, jedes wird aus der Störstelle und dem Fermion eines Kanals geformt. Diese Entartung führt zu starken Korrelationen zwischen den Kanälen, welche um die Formierung des Singlets mit der Störstelle wetteifern. Diese Korrelationen können sich makroskopisch in Form einer nicht-Fermi-Flüssigkeit manifestieren. In einem solchen Zustand verlieren die Anregungen ihren fermionischen Charakter. Die Entstehung dieser neuen Quasiteilchen und die Vorhersage ihrer Eigenschaft bleibt ein offenes Problem. Das Ziel dieses Antrags ist atomare Mischungen als neue Plattform für die Untersuchung des Kondo-Modells zu etablieren. Die experimentellen Parameter dieser extrem sauberen, versatilen Systeme besitzen hohe Flexibilität und sie sind heutzutage als experimentelle Plattform für eine Vielzahl von Modellsystemen etabliert. Trotz dieser Vorteile, sind bis heute keine Resultate zum Kondo bekannt. Das Multi-Kanal Fermi-Meer wird mit einer großen Wolke von Fermionen mit hohem Spin realisiert. Sie werden in einer schwachen optischen Falle gefangen, sodass sich der Spin frei verändern kann. Die Spin-Störstelle wird mit ein paar Bosonen realisiert, welche im Grundzustand einer tiefen optischen Falle lokalisiert sind, sodass ihre Bewegung ausgefroren ist. Die Austauschwechselwirkung kommt durch spinverändernde Kollisionen zustande. Wir erwarten das die Wechselwirkungsstärke ausreichend hoch ist, damit die Kondo Temperatur in der Grössenordnung der Fermi-Temperatur ist und somit experimentell zugänglich. Der Kondo-Effekt wird durch lokale Spinkorrelationen zwischen den Bosonen und Fermionen beobachtet werden. Wir werden die nicht-Fermi-Flüssigkeit durch die nicht-fermionische Propagation von Korrelationen nach einem Quench detektieren.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: 1 EMCCD camera ; Doubled IR laser system for laser cooling of 23Na (589 nm wavelength) ; Flexible lattice laser TiSa system for optical lattice
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek) ; 5700 Festkörper-Laser