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FOR 5688:  Getrieben-dissipative Vielteilchensysteme ultrakalter Atome

Fachliche Zuordnung Physik
Förderung Förderung seit 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521530974
 
In der Natur findet man in der Regel offene Quantensysteme. Auch im Labor ist es selten möglich, Quantensysteme vollständig zu isolieren. Daher muss man dissipative Effekte, wie sie aus dem Austausch von Informationen, Energie und Teilchen mit der Umgebung resultieren, sorgfältig berücksichtigen. Während derartige Prozesse oft schädlich sind, kann die gezielte Kopplung an eine maßgeschneiderte Umgebung aber auch für die Kontrolle von Quantensystemen genutzt werden. Von besonderem Interesse sind dabei getrieben-dissipative Systeme. Diese streben stationäre Nichtgleichgewichtszustände an, welche, anders als thermische Zustände, nicht nur von wenigen thermodynamischen Größen (wie Temperatur), sondern von den Details der Umgebung abhängen. Dadurch ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, Zustand und Eigenschaften eines Quantensystems zu kontrollieren. Ein bekanntes Beispiel sind Laser, bei denen das Wechselspiel von Pumpen und Verlusten die Nichtgleichgewichtskondensation von Photonen induziert. In photonischen Quantensystemen ist kürzlich sogar die dissipative Präparation von Mott-Isolatoren und fraktionalen Quanten-Hall-Tröpfchen gelungen. Ob Dissipation nun eine Gegebenheit ist, mit der man umgehen muss, oder genutzt werden soll, so ist ihre akkurate und effiziente Beschreibung essentiell. Diese ist jedoch oft schwierig und sowohl für das Herleiten als auch für das Lösen von Bewegungsgleichungen für offene Quantensysteme müssen Näherungen herangezogen werden. Um unser Verständnis offener Vielteilchensysteme zu vertiefen, neue dissipative Kontrollmethoden zu entwickeln, und theoretische Näherungen zu testen, sind Quantensimulatoren für offene Systeme, mit einer kontrollierten und wohl charakterisierten Umgebung, daher von eminenter Bedeutung. Hier bieten ultrakalte Atome eine Vielzahl von Vorteilen, die wir in enger Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment für diesen Zweck erforschen, erweitern und ausnutzen möchten: Diese Systeme sind nicht nur extrem sauber und können mit hoher Auflösung in Ort und Zeit manipuliert und gemessen werden, sie sind auch extrem gut von ihrer Umgebung abgeschirmt. Diese Eigenschaften wollen wir nutzen, um drei Ziele zu erreichen: (i) Design und Realisierung wohlkontrollierter Dissipation mit Hilfe von atomaren Reservoirs, kontrollierter 1-, 2 und 3-Tielchen-Verlusten, optischer Pinzetten, Uhrenübergängen, Kopplung an eine getrieben-dissipative Resonatormode sowie Messungen und Rückkopplung; (ii) Verwenden der erzeugten kontrollierten Dissipation für die Quantensimulation offener Systeme, z.B. um theoretische Methoden zu testen oder Einfluss von Dissipation auf Transport zu untersuchen; (iii) Erforschen neuer Methoden zur dissipativen Präparation von interessanten Zuständen, wie fraktionalen Quanten-Hall-Zuständen, Cluster-Zuständen, defektfreien Mott-Isolator-Zuständen, spontan gebildeten Kristallen, selbstgetriebene Spin-Pumpen, sowie nichtgleichtewichts Bose-Kondensaten.
DFG-Verfahren Forschungsgruppen
Internationaler Bezug Italien, Schweiz

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