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Projekt
Langreichweitige Korrelationen in ungeordneten Spinsystemen mit dipolaren Wechselwirkungen
Antragsteller
Professor Dr. Daniel Braun; Dr. Andreas Günther
Fachliche Zuordnung
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465199066
Im Anschluss an die erste Förderphase setzt das Projekt die Untersuchung von Quantenkorrelationen in ungeordneten Spin-Systemen mit langreichweitigen Wechselwirkungen sowohl experimentell als auch theoretisch fort. Ziel ist es, ultra-langreichweitige Wechselwirkungen und Korrelationen über ein dipol-dipol-wechselwirkendes Spin-Ensemble über große Distanzen zu vermitteln. Hierzu kommen quasi-eindimensionale Ensembles kalter Atome, die an hoch angeregte Rydberg-Zustände gekoppelt werden, zum Einsatz. In starken elektrischen Feldern lässt sich deren Dipol-Dipol-Wechselwirkungsstärke durch Feldänderungen im sub-V/cm Bereich gezielt manipulieren. Geeignete Anregungsschemata begünstigen dann die Bildung einer quasi-1D Rydberg-Kristallstruktur, deren Rydberg-Rydberg-Korrelationen stark von der Wechselwirkungsstärke und den Randbedingungen abhängen. Mit unserem hochauflösenden Ionenmikroskop, basierend auf einem elektrostatischen Linsensystem mit 1000-facher Vergrößerung, werden wir die Ausbildung dieser Korrelationen messen und ihre Abhängigkeit von Parametern wie der Anfangsdichte und des Wechselwirkungstyps – van der Waals oder Dipol-Dipol – charakterisieren. Mit 100 ps zeitlicher und 100 nm räumlicher Auflösung übertrifft unser Mikroskop konventionelle fluoreszenzbasierte Nachweismethoden und eignet sich somit ideal zur Untersuchung von Rydberg–Rydberg-Korrelationen in ungeordneten Systemen. Abschließend streben wir die direkte Beobachtung bedingter Phasenverschiebungen zwischen räumlich getrennten Rydberg-Atomen an. Auf theoretischer Seite werden wir numerische Methoden entwickeln, um die Entstehung der Korrelationen in den Rydberg-Anregungskristallen zu untersuchen und diese an das Experiment anpassen. Herkömmliche Verfahren stoßen bei ungeordneten Systemen mit langreichweitigen Wechselwirkungen schnell an ihre Grenzen: Volle Quantensimulationen sind meist auf wenige Teilchen beschränkt, und semi-klassische Ansätze wie Tree-Tensor-Netzwerke wurden erst kürzlich auf ungeordnete Systeme mit kurzreichweitigen Wechselwirkungen erweitert. Es besteht daher ein Bedarf an neuen Methoden für ungeordnete Systeme mit langreichweitigen Kopplungen. Unser kürzlich entwickelter stochastischer 'grabit' Ansatz (gradient bit) stellt eine vielversprechende neue Methode dar. Dabei werden reine Quantenzustände als höhere Ableitungen klassischer Wahrscheinlichkeitsverteilungen dargestellt, was sich besonders gut für die Simulation der im Experiment untersuchten ungeordneten Spin-Systeme eignet. Zudem ist das Wachstum von Verschränkung unproblematisch, und durch die inhärente Stochastizität lässt sich Unordnung direkt berücksichtigen. In der zweiten Förderphase soll der 'grabit'-Formalismus zur Simulation kontinuierlicher Zeitdynamik weiterentwickelt und auf die experimentell untersuchten ungeordneten, langreichweitig wechselwirkenden Spin-Systeme angewendet werden.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
