Quantensimulator mit magnetischen Atomen (MAQS)

Die erstmalige Erzeugung eines Bose-Einstein Kondensates in 1995 und des ersten degenerierten Fermigases in 1999 aus verdünnten Gasen bestehend aus Alkaliatomen haben ein völlig neues Forschungsfeld eröffnet. Insbesondere die exzellente Kontrolle über die internen und externen Freiheitsgrade der einzelnen Atome macht solche Systeme zu idealen Plattformen für die Realisierung sogenannter Quantensimulatoren, eine Idee, formuliert von Richard Feynman vor mehr als drei Jahrzehnten. Ein Quantensimulator bildet ein physikalisches System von Interesse welches sehr komplex sein kann und weder eine präzise Kontrolle über Parameter zulässt noch detaillierte Messungen ermöglicht auf ein anderes Quantensystem ab, welches eine solche Kontrolle ermöglicht sowie detaillierte Messungen erlaubt. In den letzten Jahren wurde das Forschungsfeld der ultrakalten Quantengase im Sinne der zur Verfügung stehenden Atomspezies deutlich erweitert. Vor allem Atome mit einem intrinsischen großen magnetischem Moment wie Chrom, Erbium und Dysprosium erlauben nun die Untersuchung von Phänomenen, die aufgrund der langreichweitigen, anisotropen magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung entstehen. Das Ziel dieses Projektes ist die Realisierung von Quantensimulatoren unter Verwendung von magnetischen Atomen in kristallähnlichen Lichtstrukturen und die anschließende Untersuchung der vorhergesagten exotischen Vielteilchenphänomene bei vorhandener Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Unser Projektkonsortium, bestehend aus verschiedenen Experiment- und Theoriegruppen aus sechs unterschiedlichen Ländern, wird neue Werkzeuge und Techniken entwickeln, um die Dipol-Dipol- Wechselwirkung in den Systemen im Vergleich zu derzeitigen Implementierungen zu verstärken und besser kontrollieren zu können. Damit wird der Bereich der experimentell realisierbaren Quantenphasen deutlich vergrößert. Gleichzeitig werden wir an verbesserten bzw. neuen Methoden und Protokollen zur Messung und Charakterisierung der Eigenschaften solcher Systeme arbeiten, insbesondere zur Detektion von Quantenkorrelationen. Diese neuen Techniken werden in vier komplementären Experimentaufbauten implementiert und erlauben uns zukünftig die Beobachtung undUntersuchung vieler fundamentalerVielteilchenphänomene wiez.B.dem Quantenmagnetismus.

Within this project we used magnetic atoms to realize the quantum simulation of quantum-many body problems associated with long-range dipole-dipole interactions within various physical systems. First, we worked on the realization of a quantum simulator made of magnetic atoms in periodic potentials, where we developed and implemented a new quantum gas microscope into our system. Here, a short-spaced UC lattice will increase the strength of dipole-dipole interactions above comparable state-of-the-art setups. Second, we investigated the collisional and interaction properties of our double-magnetic atomic mixture to find promising spots where the interspecies interactions are favorable. We found several suitable spots for future experiments and were able to determine the short-range interactions for a specific mixture. We also further investigated the recently found supersolid state of matter, which features two contrary properties - solid and superfluid - at the same time. Here, we investigated part of the finite temperature phase diagram of the system and observed the counterintuitive effect that higher temperatures favors the solid phase. We also realized supersolids with a periodic structure along two dimensions, allowing us to investigate rotational excitations of such systems. Going further, we were able to induce quantized vortices in a dipolar quantum gas via a newly developed method called magnetistirring. This method allowed us finally to induce and detect vortices in our twodimensional rotating supersolid. Within a theory investigation we found that such a supersolid system with vortices is in close analogy to believed structures in neutron stars, where it would explain the appearance of so-called glitches, randomly happening rapid spin-up events of neutron stars. We also developed new probes to certify the presence of quantum correlations, which are expected to be particularly strong in these many-body long-range interacting systems. Specifically, we have worked out new theory proposals how to prepare and detect topological states of magnetic atoms in optical lattices, how to prepare many-body states with chiral ordering, topological phonons, and how to construct generalized large-spin Heisenberg models to allow the simulation of quantum field theories.