Stark korrelierte Fermi-Gase in optischen Resonatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Walter Hofstetter
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 557989325

Ultrakalte Atome sind leistungsstarke Quantensimulatoren für wechselwirkende Vielteilchensysteme. Sie können an einzelne Moden optischer Resonatoren gekoppelt werden, wobei die Streuung von Photonen zwischen Pumplaser und Resonator durch die Atome langreichweitige Wechselwirkungen zwischen diesen bewirkt. Hierdurch können beispielsweise das spontane Auftreten einer Dichtewelle und Superradianz (makroskopische Besetzung der Resonatormode) induziert werden, wie vor kurzem für ultrakalte Fermionen beobachtet. Es wurde vorhergesagt, dass auf Grund von Nesting der Fermifläche Superradianz für beliebig schwaches Pumpen auftreten kann. Ein noch reichhaltigeres Phasendiagramm erwartet man bei Anwesenheit zusätzlicher kurzreichweitiger Wechselwirkungen in diesen Systemen. Für Fermionen ist hierzu bislang nur wenig bekannt, jedoch wurde dieses Szenario bereits für Bosonen in einem Resonator untersucht, wobei sowohl ein Superfluid-Mott-Isolator Übergang als auch die Bildung einer Dichtewelle und eines Gitter-Supersolids beobachtet wurden. Auch Spin-Texturen und dynamische Spin-Bahn-Kopplung sind bereits für bosonische Systeme studiert worden, während die Rolle des Spinfreiheitsgrads für Fermionen in einem Resonator weitgehend unerforscht ist. Aufgrund der Verlustrate des Resonators sind dies intrinsisch offene Quantensysteme, in denen die Dissipation Quantenphasen stabilisieren oder zu nichtstationären Phänomenen führen kann. Das beantragte Projekt hat das Ziel, die Konkurrenz zwischen starken kurz- und langreichweitigen Wechselwirkungen in ultrakalten Fermionen zu studieren, die sich in einem optischen Gitter befinden und an einen optischen Resonator sowie an Pumplaser gekoppelt sind. Wir berechnen die effektive Temperatur im stationären Zustand und analysieren das Auftreten spontaner Dichte- oder Spin-Ordnung. Außerdem werden auftretende suprafluide Phasen, beispielsweise Paardichtewellen, sowohl für attraktive als auch für repulsive langreichweitige Wechselwirkung, und über den vollen Bereich von schwacher bis hin zu starker Kontaktwechselwirkung untersucht. Diese Studien werden auf Multiflavor-Fermionen und dort vermutete „Farbsuprafluidität“ bzw. „Farbmagnetismus“ erweitert. Auch der Einfluss von räumlicher Unordnung oder Inkommensurabilität auf die fermionische Superradianz wird analysiert. Numerische Simulationen in diesem Projekt werden mit Hilfe der nichtperturbativen dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT) und ihrer Erweiterungen auf inhomogene Systeme durchgeführt. Ein dazu komplementärer feldtheoretischer Zugang wird ebenfalls angewandt, um suprafluide Phasen für repulsive langreichweitige Wechselwirkungen zu analysieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Francesco Piazza, Ph.D.