Atomare Spinsysteme mit unendlich-reichweitiger Wechselwirkung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. József Fortágh; Dr. Beatriz Olmos Sanchez
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465199066

Das Ziel des vorliegenden Vorhabens ist die Untersuchung großer und kleiner Spinsysteme, bei denen ein Resonatorfeld simultane Wechselwirkung zwischen allen Spins vermittelt. Wir planen detaillierte theoretische Studien am sogenannten Dicke-Ising-Modell, welches im Projekt 1 dieser Forschergruppe experimentell implementiert wird. Die über das Resonatorfeld vermittelten Wechselwirkungen „unendlicher“ Reichweite, koexistieren hier mit Kontaktwechselwirkungen vom Ising-Typ, welche über nichtresonante Laseranregungen zu Rydberg-Zuständen eingeführt werden. Wir planen die Untersuchung neuartiger Phasen und Phasenübergänge in diesem Modell und möchten die Potenziale zur Erzeugung hochkorrelierte Vielteilchen-Quantenzustände ausloten.Wir wenden uns weiterhin der Untersuchung von Systemen mit wenigen Spins unter dem Einfluss unendlicher Austausch- oder Ising-Wechselwirkungen zu. Solche Systeme werden in diesem Projekt experimentell durch hochangeregte Rydberg-Atome als Spin in einem Mikrowellenresonator als Vermittler von Wechselwirkungen „unendlicher“ Reichweite realisiert. Starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen Rydberg-Atomen können zur Ausbildung von Rydberg-Superatomen führen, die ebenfalls einzelne Spins representieren und über das Resonatorfeld simultan miteinander wechselwirken. Die Entwicklung von Quantensystemen bestehend aus wenigen und vielen Spins mit abstimmbaren Wechselwirkungen „unendlicher“ Reichweite bei gleichzeitiger Kontrolle der Kontaktwechselwirkungen wird für skalierbare Implementierungen von Quantenlogik-Gattern und die Realisierung dynamisch gesteuerter und konfigurierbarer Quantensimulatoren von größter Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5413: Quantenspinsysteme mit langreichweitigen Wechselwirkungen: Experiment, Theorie und Mathematik