Dipolare Quantengase stark magnetischer Atome

Ultrakalte Quantengase aus bosonischen oder fermionischen Teilche haben eine erfolgreiche Plattform gebildet, die neue Horizonte im Verständnis der modernen Quantenphysik eröffnet. Unser Projekt zielt darauf ab, den Einfluss von langreichweitigen und anisotropen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen auf die Wenig- und Vielteilchenphysik in ultrakalten Quantengasen zu untersuchen. Diese spezielle Art von Wechselwirkungen, die so genannten Dipol-Dipol- Wechselwirkungen, ergeben sich aus dem großen (magnetischen oder elektrischen) Dipolmoment der Partikel. Gase mit dipolaren Wechselwirkungen sind zu einem der erfolgreichsten und wettbewerbsfähigsten Bereiche innerhalb der Forschungsgemeinschaft für Quantengase geworden. Unser Projekt ist Teil einer DFG-FWF Forschergruppe (FOR2247), zu der wir mit experimentellen Studien von Quantengasen aus Erbium, eines der magnetischsten Elemente des Periodensystems, beitragen. Durch die Verlängerung unserer Forschergruppe werden wir auf dem Wissen und der Kontrolle über solche Systeme und auf den gemeinsamen Bemühungen innerhalb unserer Forschergruppe aufbauen, um neue Aspekte der dipolaren Quantenphänomene zu enthüllen. Unser erstes Ziel konzentriert sich auf dipolare Quanten-Bosegase. In diesen Gasen haben neuere Arbeiten innerhalb unserer Forschergruppe, die ebenfalls eine internationale Forschungsanstrengung auslösten, die Existenz exotischer Materiezustände aufgedeckt, deren Eigenschaften sich im Wesentlichen auf das mit vielen Körpern korrelierte Verhalten beziehen. Dazu gehören Ansammlungen von Quantentropfen, Riesen-Quantentropfen, Streifenzustände und rotonische Quasiteilchen. Die experimentelle Beobachtung dieser exotischen Zustände könnte die Realisierung eines höchst paradoxen Zustandes mit superfesten Eigenschaften ermöglichen, der sich aus den interpartikulären Wechselwirkungen ergibt. In diesem Projekt werden wir mithilfe der Partnergruppen innerhalb dieser Forschergruppe, sowohl theoretisch als auch experimentell, die tatsächliche Realisierung solcher Zustände weiter erforschen. Unser zweites Ziel konzentriert sich auf dipolare Quanten-Fermigase, die aus zwei Spins bestehen, ähnlich wie Elektronen in Feststoffen. Uns ist es kürzlich gelungen, solche Spin-Mischungen herzustellen und ihre Wechselwirkungen zu optimieren. Unser Ziel ist es nun, die Möglichkeit eines supraflüssigen Verhaltens durch eine Paarung der Spins zu realisieren und zu untersuchen. Durch die Abstimmung der Wechselwirkung könnte man von einem Suprafluid aus delokalisierten Paaren, ähnlich dem Supraleiter, zu einem Suprafluid aus gebundenen Fermionen wechseln, das sich wie Bosonen verhält. Während solche Übergänge seit Jahren in Alkaligasen untersucht werden, bringen Lanthanoide ein deutlich komplexeres Streuszenario mit sich, einschließlich Dipol-Dipol- Wechselwirkungen, anisotrope kurzreichweitige Wechselwirkungen und Effekte aufgrund der endlichen räumlichen Ausdehnung der Wechselwirkungen. In einer aktuellen Studie, die von der Zusammenarbeit innerhalb des Forschergruppes profitierte, haben wir begonnen, unser Verständnis von den Auswirkungen der dipolaren Wechselwirkungen auf das Streuverhalten von Fermi-Gasen zu vertiefen. Nun wollen wir diese Zusammenarbeit ausbauen und aufzeigen, wie diese Wenig- Teilcheneffekte das Verhalten des fermionischen Vielteilchensystems verändern.

Das Ziel des Projektes "Dipolare Quantengase stark magnetischer Atome", Teil der DFG-FWF Forschergruppe (FOR2247), war die Untersuchung des Einflusses von anisotropen und langreichweitigen Wechselwirkungen auf Wenig- und Vielteilchensysteme. Unsere experimentellen Untersuchungen wurden mit ultrakalten Atomen von Lanthanoiden mit außergewöhnlich starkem magnetischem Moment, Erbium und Dysprosium, durchgeführt. In früheren Projekten hatten wir bereits die Roton-Mode-Anregungen in dipolaren Gasen gefunden, und wir haben die Auswirkungen der neu entdeckten Korrektur aufgrund von Quantenfluktuationen untersucht, die in der Lage ist, ein kollabierendes dipolares Gas zu stabilisieren. Dies führte zu spannenden Vorhersagen über die mögliche Realisierung eines suprasoliden Zustands. Dieser exotische Materiezustand weist sowohl feste als auch suprafluide Eigenschaften auf. Im Rahmen dieses Projekts konnten wir nicht nur zum ersten Mal dipolare Suprafestkörper und ihre Anregungen herstellen und untersuchen, sondern auch die Suprasolidität auf zwei Dimensionen ausweiten. Unsere Fähigkeit, solche suprasoliden Zustände durch Verdampfung zu erzeugen, ermöglichte es uns, im Detail zu untersuchen, wie ein solcher suprasolider Zustand entsteht und wie er wieder verschwindet. Wir waren auch in der Lage, einen solchen suprasoliden Zustand aus dem Gleichgewicht zu bringen und zu beobachten, wie die gemeinsame Phase mit der Zeit wiederhergestellt wird. In einem zweiten Forschungsgebiet haben wir unser Wissen und unsere Werkzeuge zur Kontrolle und Manipulation ultrakalter Lanthanoid-Atome auf ein noch nie dagewesenes Niveau erweitert und verbessert. Wir führten eine erste Spektroskopie eines extrem schmalbandigen Übergangs in Erbium durch, der für die Präzisionsspektroskopie, die effiziente Spin-Präparation aller Isotope und die Manipulation von Spin-Austausch- und Spin-Relaxationsprozessen genutzt werden kann. Wir untersuchten auch die Kontaktwechselwirkungseigenschaften für alle Erbium-Isotope allein sowie für eine dipolare Erbium-Dysprosium-Mischung, bei der wir erste Hinweise auf einen fremdinduzierten suprasoliden Phasenübergang erhielten. Wir untersuchten auch ein stark dipolares Gas in reduzierten Dimensionen, d.h. in einer Anordnung von zweidimensionalen Pfannkuchen. Mit Hilfe von Bloch-Oszillationen konnten wir die Effekte der Wechselwirkung auf das System bestimmen und einen selbstlokalisierten Zustand auf einer einzigen Gitterstelle beobachten. Eine dritte Forschungsrichtung war unsere Untersuchung der Vielkörperdynamik unter dem Einfluss von Rotation. Hier präparierten wir zum ersten Mal Quantenwirbel in einem stark dipolaren Gas durch ein neuartiges Schema, das rotierende Magnetfelder verwendet und deshalb Magnetostirring genannt wird. Indem wir die relative Stärke der dipolaren Wechselwirkungen kontrollierten, beobachteten wir die Anordnung der Wirbel entlang von Streifen, eine eigentümliche Folge der Anisotropie der dipolaren Wechselwirkungen. Außerdem haben wir den Entstehungsprozess von Wirbeln in dipolaren Quantengasen genauer untersucht. Mit Hilfe umfangreicher numerischer Berechnungen identifizierten wir den optimalen Parameterbereich für die Induktion von Wirbeln und zusätzliche, bisher experimentell nicht beobachtete Eigenschaften der Wirbel selbst. Schließlich konnten wir in einer theoretischen Arbeit die Physik rotierender Suprasolide mit schnell rotierenden Neutronensternen in Verbindung bringen, was möglicherweise die Physik hinter den mysteriösen Störungen dieser Objekte erklärt.