Dipolar wechselwirkende Systeme: Quantenthermalisierung und Turbulenz

• Antragstellerin: Professorin Lauriane Chomaz, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530000649

Wir schlagen vor, zwei komplementäre experimentelle ultrakalte Gasaufbauten mit stark magnetischen Dysprosium- (Dy) und Chrom- (Cr) Atomen zu verwenden, um die allgemeinen Gesetze zu erforschen, die die Dynamik eines geschlossenen Quantensystems mit weitreichender Wechselwirkung bestimmen. In beiden Fällen werden wir das System zunächst aus dem Gleichgewicht bringen und dann die faszinierenden Prozesse untersuchen, die auf dem Weg zum Gleichgewicht unter dem Einfluss von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen ablaufen. Unser Projekt wird somit die Untersuchung der Quanten-Thermalisierung aus zwei sich ergänzenden Perspektiven ermöglichen. Erstens wird unser Dy-Experiment eine kontinuierliche polarisierte Flüssigkeit in maßgeschneiderten Geometrien sein, und die Thermalisierung im Gefolge von Quantenturbulenzen wird untersucht werden. Zweitens realisiert unser Cr-Experiment ein Gitterspinmodell, bei dem die Thermalisierung durch Spin-Verschränkung erfolgt. Diese Zusammenarbeit wird zunächst von starken technischen Synergien profitieren: Die Gruppen werden gleichzeitig an ähnlichen experimentellen Entwicklungen arbeiten und dabei auf dem Fachwissen der jeweils anderen Gruppe aufbauen. Sie werden ihre Produktion von stabilen und kontrollierbaren dipolaren Quantengasen, die Stabilität des externen Magnetfelds und die Auflösung ihrer Bildgebung verbessern. Sie werden neuartige Messverfahren entwickeln, um Raum- und Impulsverteilungen, Korrelationen und Spinverschränkung zu messen, sowie lichtbasierte Protokolle, um den Hamiltonian zu verändern und Anregungen durchzuführen. Diese Verbesserungen zielen darauf ab, wichtige Engpässe bei der Erkennung und kohärenten Kontrolle zu überwinden, um neu entstehende Quanteneigenschaften zu charakterisieren. Mit diesen Werkzeugen werden wir in der Lage sein, grundlegende Aspekte der Quanten-Thermalisierung in Langstreckensystemen zu erforschen, die in engem Zusammenhang mit der Hypothese der Eigenzustands-Thermalisierung stehen. Zunächst werden wir die Gasgeometrie einstellen, von der bekannt ist, dass sie einen entscheidenden Einfluss auf wechselwirkende Systeme mit großer Reichweite hat, und die Thermalisierung untersuchen, während wir sowohl die Symmetrien des Systems als auch die anfängliche Gesamtenergie ändern. Zweitens werden wir die zugrundeliegenden Gleichgewichtsphasen variieren und die Thermalisierung entweder im Hinblick auf räumlich ungeordnete (superfluide) oder geordnete (Mott-Isolator oder supersolid) Phasen untersuchen. Unser Ziel ist es, allgemeine Regeln abzuleiten, die die Quanten-Thermalisierung von Systemen mit weiträumiger Wechselwirkung mit den ihnen zugrunde liegenden Phasen und Phasenübergängen verbinden. Auf diese Weise erwarten wir, dass dieses Projekt einen großen Schritt vorwärts in einem Forschungsbereich darstellt, der bisher kaum experimentell erforscht wurde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Großgeräte: 1W laser source at 626 nm
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Kooperationspartner: Dr. Laurent Vernac