Quantendynamik in starkkorrelierten RbCs dipolaren Gasen

Ultrakalte Atome und Moleküle, die in Gitterpotentialen eingefangen sind, bieten zahlreiche Möglichkeiten zur kontrollierten Präparation und Untersuchung stark korrelierter Quanten- Vielteilchensysteme. Für Atome mit ihrer Kontaktwechselwirkung waren die experimentelle Realisierung des Hubbard-Modells und die Beobachtung des Phasenübergangs vom suprafluiden Zustand zum Mott-Isolator Meilensteine. Moleküle haben das Potenzial, das Spektrum stark korrelierter Quantensysteme, die untersucht werden können, sehr zu erweitern. Insbesondere dipolare Moleküle mit ihrer langreichweitigen und orientierungsabhängigen elektrischen Dipol-Dipol- Wechselwirkung bieten die Möglichkeit, neuartige Formen der Suprafluidität und interessante Vielkörper-Grundzustände wie z.B. dipolare Kristalle, suprasolide Phasen, fraktionale Mott- Isolatoren, und Quantenmagnete in Verbindung mit neuartigen Quantenphasenübergängen und allgemein Nicht-Gleichgewichts-Quanten-Vielteilchen-Dynamik zu realisieren. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Dynamik ultrakalter bosonischer Quantengase von dipolaren RbCs- Grundzustandsmolekülen zu untersuchen, die sich in ein- und zweidimensionaler Geometrie im Zusammenspiel mit Gitterpotentialen ergibt. Die molekularen RbCs-Dipole, die am Anfang des Erzeugungsprozesses aus Atompaaren hergestellt werden, befinden sich an einzelnen Gitterplätzen eines optischen Gitters bei hohem Füllfaktor und werden in den Regimes der eingefrorenen Spins (d. h. fixe räumliche Position in dem Gitter) und der mobilen Dipole untersucht. Unsere Arbeit hat zum Ziel, neuartige Vielteilchen-Spinmodelle mit möglichen Anwendungen auf dem Gebiet der Quantensimulation zu realisieren und die Stabilität, die Dynamik und die Relaxationsprozesse für diese Quantenvielteilchensysteme zu untersuchen. Insbesondere zielt unser Projekt darauf ab, experimentell die dynamischen Prozesse zu testen, die durch das erweiterte Hubbard-Modell beschrieben werden, d.h. das Hubbard-Modell, das durch Terme ergänzt ist, welche die langreichweitige Wechselwirkung modellieren. Das Projekt wird auf der Basis einer bestehenden Rb- Cs-Quantengasgemisch-Apparatur durchgeführt. Diese Apparatur wurde über mehrere Jahre hinweg im Rahmen des österreichischen SFB FoQuS entwickelt. Als Grundlage der geplanten Experimente konnte effizienter Grundzustandstransfer implementiert sowie ein hoher molekularer Füllfaktor in einem dreidimensionalen Gitterpotential realisiert werden.

Ziel des Projekts ist es, eine experimentelle Plattform zu entwickeln, um die Quantendynamik von dipolaren Vielteilchen-Quantensystemen im Experiment auf der Basis von ultrakalten Molekülen zu untersuchen. Diese Forschungsrichtung hat in den letzten Jahren großes Interesse geweckt, und viele Arbeitsgruppen weltweit arbeiten auf diesem Gebiet. Dipolare Quantengase erweitern das Spektrum der Möglichkeiten auf dem Gebiet der ultrakalten Quantengase erheblich, z.B. durch die Möglichkeit, neue Materiezustände wie z.B. einen suprasoliden Zustand zu erzeugen. In diesem Projekt haben uns auf die Erzeugung von Quantengasen von RbCs Molekülen fokussiert. Zu einem großen Teil ist diese Arbeit weiterhin Work-in-Progress. Die ultrakalten Moleküle sollen im Nanokelvin-Temperaturbereich aus Atomen zusammengesetzt werden. Dazu werden unter anderem starke Lichtkräfte zum Festhalten der Atome und Moleküle eingesetzt. Es ist uns gelungen, sogenannte Einschlussresonanzen (engl. confinement-induced resonances) zu identifizieren. Dabei koppeln stark gespeicherte Atome an molekulare Zustände. Die Existenz solcher Einschlussresonanzen war im Vorfeld nur für eindimensionale Systeme vorausgesagt worden, und wir haben herausfinden können, dass nichtlineare Prozesse bei starkem dreidimensionalen Einschluss in z.B. einem optischen Gitter solche Resonanzen bedingen. Des Weiteren konnten wir einen Erzeugungspfad entwickeln, mit dem es möglich sein sollte, die RbCs Moleküle mit hoher Effizienz und bei hoher Phasenraumdichte im Grundzustand zu präparieren. In einer Zusammenarbeit mit experimentellen Kollegen aus Durham, UK, konnte dieser Weg bereits beschritten werden. Um die Molekülerzeugung und die Experimente mit den molekularen Quantengasen möglichst einfach zu gestalten, wurden signifikante Umbauarbeiten an der existierenden Apparatur bzw. an dem Lasersystem durchgeführt. Diese Arbeiten stehen am Ende des Projekts kurz vor dem Abschluss. Die wissenschaftlichen Arbeiten werden natürlich im Rahmen eines anderen Projekts weitergeführt werden.