Lasersystem zur Quantengasmikroskopie topologischer Vielteilchenzustände mit Cs Atomen

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452143229

In dem geplanten Vorhaben sollen die Konzepte der Quantengasmikroskopie ultrakalter Atome und der künstlichen Eichfelder in einem neuen Experiment zusammengeführt werden. Dabei sollen völlig neuartige Quantensysteme entstehen, die es erlauben werden, hochaktuelle wechselwirkende topologische Vielteilchensysteme mit völlig neuen Detektionsmethoden (z.B. Einzelatomauflösung und Teilchenstromauflösung zwischen Gitterplätzen) zu vermessen. Gleichzeitig sollen neue Ideen zur Realisierung künstlicher Eichfelder die individuelle Kontrolle über Tunnelmatrixelemente zwischen Gitterplätzen ermöglichen. Grundlegende Konzepte hierfür wurden bereits von der Arbeitsgruppe demonstriert, jedoch konnten diese bisher noch nicht in einem einzigen Experiment zusammengeführt werden. Diese Begrenzungen sollen nun in einem neuen Experiment mit Hilfe des beantragten Lasersystems überwunden werden.Das Komplettsystem besteht aus vier Einheiten: 1) Um schnelle Zykluszeiten für Quantensimulationen erreichen zu können, soll ein schneller und zuverlässiger Transport mithilfe einer laufende optischen Stehwelle realisiert werden. Dafür sollen rauscharme Hochleistungslaser bei 1064 nm zum Einsatz kommen, die darüber hinaus auch für eine optische Dipolfalle verwendent werden können. Schnelle Zykluszeiten sind insbesondere dann unabdingbar, wenn Korrelationsfunktionen höherer Ordnung vermessen werden sollen, die erhebliche Anforderungen an die Datennahme im System stellen. Gleichzeitig erlauben kurze Zykluszeiten der Experimente eine deutliche Verringerung von unerwünschten Drifts und Fluktuationen im Experiment und so eine deutlich stabilere Datennahme. 2) Das experimentelle Schema für die lokale Kontrolle der Tunnelkopplungen und der Erzeugung künstlicher Eichfelder beruht auf einem speziellen zustandsabhängigen Gitterpotential in der horizontalen Ebene, welches später auch als Gitter für die Einzelplatz-aufgelöste Abbildung zum Einsatz kommen soll. Um die benötigten Gittertiefen und -konfigurationen erreichen zu können, sollen Ti:Saphir Lasersysteme mit Abstimmbarkeit zwischen 760-900 nm verwendet werden. 3) Um maximale Informationen über die Dichte- und interne Zustandsverteilung der kalten Bosonen im Gitter zu erhalten, soll darüber hinaus ein vertikales Übergitter bei 1064nm bzw. 532nm zum Einsatz kommen, welches es erlaubt sowohl Spin als auch Dichte mittels topologischer Spinpumpen in einer einzelnen experimentellen Realisierung abzubilden. 4) Um die Frequenz und das Intensitätsrauschen der Laser für die zustandsabhängigen optischen Potentiale überprüfen zu können, wird ein Linienbreiten Analysator mit guter absoluter Genauigkeit benötigt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Lasersystem zur Quantengasmikroskopie für Cs Atome, rauscharme Hochleistungslaser und Diagnostik
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Ludwig-Maximilians-Universität München
• Leiter: Professor Dr. Immanuel Bloch