Strongly correlated Quantum Fields out of equilibrium

Die Beschreibung wechselwirkender Vielkörper-Quantensysteme, die starke Korrelationen aufweisen, stellt eines der schwierigsten Probleme der Physik dar. Dies gilt insbesondere für Dynamik und Relaxation außerhalb des Gleichgewichts. Solche Systeme erscheinen in einem sehr breiten Kontext, der von der Kosmologie, Hochenergiephysik bis hin zu Festkörperphysik und Biologie reicht Eine vollständige Beschreibung solcher Systeme geht sehr schnell weit über das hinaus, was auf klassischen Computern berechnet werden kann. Oft werden sie durch effektive Quantenfeldtheorien (QuFTs) beschrieben. Durch den Bau von Modellsystemen im Labor wird es möglich, die Physik zu quantensimulieren und theoretische Modelle und ihre ungefähren Werte zu testen. In unserem Projekt werden wir einen Quantensimulator für stark korrelierte Quantensysteme bauen und ihre Gleichgewichtseigenschaften und Nichtgleichgewichtsentwicklung und Relaxation über eine Vielzahl von Parametern und physikalischen Einstellungen experimentell untersuchen. Ausgangspunkt unserer Untersuchungen ist eine Quantensimulation des Sine -Gordon- Modells über zwei tunnelgekoppelte 1D-Superfluide. In den Experimenten können wir die Physik von einfach gaußsch bis sehr stark korreliert abstimmen. Wir werden uns auf 4 Hauptziele konzentrieren: (i) Relaxation nach einem Quench (schnelle Änderung der Parameter). (ii)Dynamisches Kontrollieren um (a) die QuFT nahe an ihrem Quantenvakuumzustand zu präparieren und (b) ein Modell eines expandierenden Universums zu erstellen. (iii) Starke Anregungen und Teilchenerzeugung: Dadurch können wir Startbedingungen schaffen, die außerhalb der Gültigkeit des SG-Modells liegen, und damit den Gültigkeitsbereich des Quantensimulators untersuchen. (iv)die Nichtgleichgewichtsdynamik in räumlich inhomogenen Systemen untersuchen B. das Boundary-SG-Modell. Zentral für all diese Untersuchungen wird es sein, das Modell zu verifizieren und seinen Gültigkeitsbereich auszuloten. Unsere Experimente werden auf einem AtomChip mit eindimensionalen (1D) Quantengasen aus Rb-Atomen durchgeführt, wobei die 1D-Systeme individuell in-situ durch die Entwicklung von Dichte und Impuls, und durch Interferenzen und Korrelationen untersucht werden. Dies erlaubt zu beobachten, wie sich das Vielteilchensystem und seine makroskopische Wellenfunktion entwickeln. Das Aufteilen eines einzelnen 1D-Systems in einem Doppelmuldenpotential ermöglicht es uns, die beiden tunnelgekoppelten 1D-Superfluide zu erzeugen, die den Quantensimulator des SG-Modells bilden, und die Stärke der Korrelationen einzustellen. Das Quantenfelds und seine Kohärenz kann dann durch Interferenz gemessen werden und so die feldtheoretische Beschreibung sichtbar gemacht werden.