Magnetic-Atom Quantum Simulator (MAQS)

The realization of the first Bose-Einstein condensates in 1995 followed by the preparation of a degenerate Fermi gas in 1999 with dilute gases of alkaline atoms established a new research area. Especially the superb control over the internal and external degrees of freedom makes those systems ideally suited to realize quantum simulators, an idea brought up by Richard Feynman more than three centuries ago. Such a quantum simulator emulates the physical system of interest which might be very complex, not controllable or even not accessible with another quantum system, which allows to control the behavior and to measure its properties when changing parameters. In recent years the field expanded in terms of the atomic species used in experiments. Especially atoms with a large magnetic moment such as chromium, erbium and dysprosium provide the possibility to investigate phenomena arising from the long-range, anisotropic dipole-dipole interactions. The aim of this project is to build quantum simulators using magnetic atoms in crystal-like optical potentials and to use them to investigate expected exotic many-body phenomena arising from the dipole-dipole interactions. Our consortium, build up from experimental and theory groups located in six different countries, will develop new tools to increase and control the strength of the dipole- dipole interactions beyond current state-of-the-art, extending the range of experimentally reachable quantum phases. Simultaneously we will work on improved methods and protocols to probe the properties of such systems and to reveal quantum correlations. The new tools will be implemented in four complementary experimental setups, allowing us to access a large number of different fundamental phenomena in many-body systems e.g. quantum magnetism.

In diesem Projekt haben wir magnetische Atome verwendet, um die Quantensimulation von Vielkörper-Problemen im Wechselspiel mit weitreichenden Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in verschiedenen physikalischen Systemen zu realisieren. Zunächst arbeiteten wir an der Realisierung eines Quantensimulators aus magnetischen Atomen in periodischen Gitterpotentialen, wofür wir ein neues Quantengasmikroskop entwickelten und in unser System implementierten. Hier wird ein Kristallgitter aus UV-Licht mit kurzen Abständen die Stärke der Dipol-Dipol-Wechselwirkungen gegenüber vergleichbaren Aufbauten erhöhen. Zweitens untersuchten wir die Kollisions- und Wechselwirkungseigenschaften unserer doppelmagnetischen Atommischung, um vielversprechende Stellen zu finden, an denen die Wechselwirkungen zwischen den Spezies günstig sind. Wir fanden mehrere geeignete Stellen für künftige Experimente und konnten die Kontaktwechselwirkung für eine bestimmte Mischung bestimmen. Wir haben auch den kürzlich entdeckten suprasoliden Zustand der Materie weiter untersucht, der zwei gegensätzliche Eigenschaften - fest und superfluid - gleichzeitig aufweist. Hier haben wir einen Teil des Phasendiagramms des Systems bei endlicher Temperatur untersucht und den kontraintuitiven Effekt beobachtet, dass höhere Temperaturen die Formierung eines Festkörpers begünstigen. Wir haben auch SuprAfestkörper mit einer periodischen Struktur entlang zweier Dimensionen realisiert, was uns erlaubt hat, Rotationsanregungen solcher Systeme zu untersuchen. Darüber hinaus konnten wir mit einer neu entwickelten Methode namens Magnetostirring quantisierte Wirbel in einem dipolaren Quantengas induzieren. Diese Methode ermöglichte es uns schließlich ebenfalls, solche Wirbel in unserem zweidimensionalen rotierenden Supersolid zu induzieren und nachzuweisen. Im Rahmen einer theoretischen Untersuchung konnten wir ebenfalls zeigen, dass ein solches suprasolides System mit quantisierten Wirbeln in enger Analogie zu den vermuteten Strukturen in Neutronensternen steht, wo es das Auftreten sogenannter Glitches, zufällig auftretender schneller Spin-up-Ereignisse von Neutronensternen, erklären würde. Wir haben auch neue experimentelle und theoretische Methoden entwickelt, um das Vorhandensein von Quantenkorrelationen nachzuweisen, die in diesen vielteiligen Systemen mit weiträumiger Wechselwirkung besonders stark sein dürften. Insbesondere haben wir neue Theorievorschläge erarbeitet, wie man topologische Zustände von magnetischen Atomen in optischen Gittern herstellen und nachweisen kann, wie man Vielkörperzustände mit chiraler Ordnung und topologische Phononen herstellen kann und wie man verallgemeinerte Heisenberg-Modelle mit großen Spins konstruieren kann, um die Simulation von Quantenfeldtheorien zu ermöglichen.