Realisierung itineranter Rydberg Modelle durch distanzselektive Dissipation

• Antragsteller: Dr. Pascal Weckesser
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516136618

Die Realisierung und Untersuchung von Quanten-Vielteilchensystemen ist zentraler Bestandteil in den Bereichen der experimentellen Quantensimulation und Quanteninformation. Innerhalb der vergangenen Jahrzehnte haben sich unter anderem ultrakalte Quantengase zu einem der Vorreiter offener und geschlossener Quantensysteme entwickelt. In aktuellen Anstrengungen wird versucht, diese Systeme um langreichweitige Wechselwirkungen zu erweitern, da diese neuartige und unerforschte Quantenphasen versprechen. Elektronisch hoch-angeregte Rydberg-Atome stellen eine vielfältige und leistungsstarke Plattform zur Realisierung solch langreichweitiger Wechselwirkungen dar und können Reichweiten von mehreren Mikrometern erreichen. Die meisten Rydberg-Experimente sind derzeit auf das “gefrorene Gas-Regime“ beschränkt, in dem die Bewegung der Atome aufgrund der vergleichsweise kurzen Lebensdauer des Rydberg-Zustandes keine Rolle spielt. Eine zentrale Herausforderung und ein Hauptziel dieses Antrags ist es demnach “itinerante-“ oder “Wander“-Modelle zu realisieren. Diese Modelle zeichnen sich darin aus, dass die Beiträge kohärenter Bewegung und der Rydberg-Wechselwirkung gleichermaßen relevant sind. Bisher waren diese Modelle schwer umsetzbar, da selbst vielversprechende Ansätze, wie etwa die “Rydberg-Beimischung“, durch schnelle Vielteilchenverluste begrenzt waren. In diesem Antrag stelle ich eine neue Rydberg-induzierte Wechselwirkung vor, die es ermöglicht, das “Wander-Regime“ in optischen Gittern zu realisieren, während gleichzeitig unerwünschte atomare Verluste unterdrückt werden. Die Wechselwirkung wird durch dissipative Anregung in Rydberg-Makrodimer Zustände induziert. Im Grenzfall starker Dissipation kann das Vielteilchensystem auf ein erweitertes Hubbard-Modell abgebildet werden. Dieses weist eine starke Kern-Abstoßung auf abstimmbaren distanzselektiven Gitterplätzen auf – eine neue Wechselwirkung, die bisher noch nicht experimentell untersucht worden ist. In dieser Arbeit werde ich diese Wechselwirkung auf Rubidiumatome in einem 2D optischen Gitter anwenden. Mit Hilfe unseres Quantengasmikroskops werde ich die dissipativen und langreichweitigen Korrelationen auf atomarer Ebene untersuchen. Ich werde zudem die Tunneldynamik größerer Quanten-Vielteilchenzustände erforschen und den kohärenten Aufbau langreichweitiger Korrelationen untersuchen, die letztendlich die Beobachtung komplexer Quantenphasen und die Bildung stark korrelierter Materie ermöglichen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle