Lasersystem zur Quantengasmikroskopie dynamischer Eichfelder mit Yb Atomen

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452143298

Quantengasmikroskop-Aufbauten für kalte Atome in optischen Gittern haben auf eindrucksvolle Weise gezeigt, wie man mit optischen Gittern wichtige Modelle der Festkörperphysik auf kontrollierte Weise simulieren kann. In Kombination mit Eichfeldern, insbesondere dynamischen Eichfeldern, lassen sich die bestehenden Konzepte erweitern um Gittereichtheorien zu simulieren, die eine wichtige Rolle in der Quantenelektrodynamik und Hochenergiephysik spielen. Gittereichtheorien zeichnen sich durch lokale Symmetrien aus, was bisweilen eine erfolgreiche Implementierungen in großen Systemen verhindert. In diesem Quantengasmikroskop-Aufbau soll ein Gitteraufbau realisiert werden, der erstmals die lokale Kontrolle von Tunnelkopplungen ermöglicht, auf dessen Basis U(1) Gittereichtheorien mit Materie- und Eichfeldfreiheitsgraden mit fermionischen Atomen realisiert werden können. Das Komplettsystem besteht aus vier Einheiten: 1) Um schnelle Zykluszeiten für Quantensimulationen erreichen zu können, soll ein schneller und zuverlässiger Transport mithilfe eine laufende optischen Stehwelle realisiert werden. Dafür sollen rauscharme Hochleistungslaser bei 1064nm 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 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 erreichen zu können, soll ein Ti:Sa Lasersystem bei 760nm verwendet werden. 3) Um maximale Informationen über die Dichte- und interne Zustandsverteilung der kalten Fermionen im Gitter zu erhalten, soll darüber hinaus ein vertikales Übergitter bei 1064nm bzw. 532nm zum Einsatz kommen, welches es erlaubt sowohl Spin als auch Dichteverteilung des Vielteilchenzustands mittels topologischer Spinpumpen abzubilden. 4) Für die zustandsabhängigen optischen Potentiale wird ein Wellenlängenmessgerät mit guter absoluter Genauigkeit benötigt, um die Frequenz der Laser zu stabilisieren und somit die Potentialtiefe für lange Zeit konstant zu halten.Mit dem geplanten Aufbau sollen erstmals lokal kontrollierbare Tunnelkopplungen in großen Gittersystemen realisiert werden, was eine ideale Grundlage für die Implementierung lokaler Symmetrien und damit von Gittereichtheorien darstellt. Eine erfolgreiche Umsetzung bietet die einmalige Chance Quantensimulationen von Vielteilchensystemen auf andere Forschungsbereiche, z.B. die Hochenergiephysik, zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Lasersystem zur Quantengasmikroskopie für Yb Atome, rauscharme Hochleistungslaser und Diagnostik
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Ludwig-Maximilians-Universität München
• Leiterin: Professorin Dr. Monika Aidelsburger