Eine neue Generation von Quantensimulatoren: von dynamischen Eichfeldern zu Gittereichtheorien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Monika Aidelsburger; Professor Dr. Fabian Grusdt; Professor Dr. Markus Kurt Oberthaler, seit 4/2022
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499183856

Quantensimulatoren (QS) können schon heute dazu beitragen einige der bedeutendsten Fragen der modernen Physik zu addressieren, besser zu verstehen und schließlich zu lösen: Anwendungen betreffen Quantenvielteilchensysteme, Hochtemperatursupraleitung und das Design neuer Werkstoffe. In DYNAMITE, werden wir neue Plattformen mit ultrakalten Atomen designen, realisieren und charakterisieren. Dabei folgen wir einem Arbeitsprogramm, das die Komplexität schrittweise erhöht: (WP1) Dichteabhängige Eichfelder in Gittersystemen mit einer Atomsorte und harmonisch gefangenen Quantengasen ohne Gitter. Hierbei untersuchen wir die veränderten statistischen Eigenschaften der Teilchen und realisieren topologische Eichtheorien; (WP2) Dynamische Gitter: In diesen Systemen realisieren wir "Materie"-Gitterplätze und dynamische Eichfelder/Teilchen, die sich zwischen den Gitterplätzen befinden; (WP3) Gittereichtheorien (LGT) mit Abelschen (Z2, U(1)) und nicht-Abelschen Eichsymmetrien. Diese Modelle sind geeignet um offene Fragestellungen in der Festkörperphysik, Kernphysik, Teilchenphysik, und den Materialwissenschaften zu addressieren: In WP1 werden wir topologische Eichtheorien im Kontinuum realisieren und neue Arten von topologischer und chiraler Ordnung untersuchen, die möglicherweise für Anwendungen in Quantencomputern und Quantenspeichern relevant werden. Das theoretische und experimentelle Ziel ist es geeignete Kopplungen zwischen Materie und Eichfeldern zu erzeugen, die es uns ermöglichen die lokalen Symmetrien von Eichfeldern zu realisieren. WP2 eröffnet die Möglichkeit das Zusammenspiel von topologischer Ordnung und Symmetriebrechung in kontrollierter Art zu studieren. Einfache Gittermodelle ohne explizite Eichsymmetrie, die schon jetzt im Labor erzeugt werden können, erlauben es uns darüber hinaus grundsätzliche Fragestellungen zu Eichtheorien schon jetzt zu untersuchen und die Bedeutung von gekoppelten Freiheitsgraden ohne explizite Eichsymmetrie für die Realisierung dieser Phänomene besser zu verstehen. In WP3 werden wir den "confinement-deconfinement" Übergang, Thermalisierung in Eichtheorien und deren Verknüpfung zu Vielteilchenlokalisierung und "quantum scars" genauer untersuchen. Die experimentellen Arbeiten werde sich auf Abelsche Eichtheorien konzentrieren. Auf theoretischer Seite werden wir neue skalierbare Konzepte entwickeln um nicht-Abelsche Symmetrien zu erzeugen. In DYNAMITE sind Experiment und Theorie sehr eng verknüpft. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse neue Kontrollmöglichkeiten hervorbringen werden, die es uns erlauben bedeutende Phänomene in dem interdisziplinären Feld „Quantenvielteilchensysteme“ zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Italien, Polen, Schweiz, Spanien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Tilman Esslinger; Dr. Philipp Hauke; Professor Dr. Maciej Lewenstein; Professor Jakub Zakrzewski
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Fred Jendrzejewski, bis 3/2022