Nichtgleichgewichtsdynamik und Relaxation in Vielteilchen-Quantensystemen

Nichtgleichgewichtssysteme sind allgegenwärtig. Im Gegensatz zu Gleichgewichtszuständen ist unser Verständnis der Dynamik von Systemen im Nichtgleichgewicht noch sehr eingeschränkt, speziell was die Zeitskalen der Relaxation und die erreichbaren Endzuständ e betrifft. Vielteilchen-Quantensysteme fern des Gleichgewicht sind von zentraler Bedeutung in vielen verschiedenen Bereichen der Physik. Sie treten bei sehr unterschiedlichen Energie und Längenskalen auf, sowohl in der Hochenergiephysik und der Kosmolo gie als auch in der Festkörperphysik und dem aufstrebenden Gebiet der Quantenbiologie. Außerdem ist de - Kohärenz und die Verbindung zwischen der klassischen Welt und der mikroskopischen Quantenbeschreibung ein fundamentaler Nicht-Gleichgewichtsprozess. In diesem Projekt wollen wir grundlegende Eigenschaften der Nicht- Gleichgewichtsentwicklung und Relaxation in Vielteilchen-Quantensysteme durch Experimente im Labor untersuchen. Ultrakalte Atome bieten einzigartige Möglichkeiten für das Studium von Nichtgleichgewichtsproblemen und der damit verbundenen Quantendynamik. Eine große Zahl an Werkzeugen ermöglicht die Erzeugung von Anfangszuständen weit weg vom Gleichgewicht. Die darauf folgende kohärente Quantenevolution kann auf experimentell leicht zugänglichen Zeitskalen genau untersucht werden. Darüber hinaus ermöglicht die Einstellbarkeit der Atom-Atom Wechselwirkung, der Temperatur und der Dimensionalität die Realisierung einer Vielzahl von unterschiedlichen physikalischen Situationen und der damit verbundenen Quantenfeldtheorien. Die Realisierung von spezifischen Modellsystemen erlaubt es Nicht-Gleichgewichts- Quantendynamik unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen zu untersuchen: Von schwach wechselwirkend zu stark korreliert, von schwach gestört zu quantenturbulent, von langsam verändernd zu Instabilitäten und exponentiellem Wachstum. Wir erwarten von solchen bewusst sehr diversen Experimenten einen tiefen Einblick in eine Reihe faszinierender Phänomene. Eine zentrale Rolle in unseren Untersuchungen spielen isolierte Systeme, die Relaxation basiert dann ausschließlich auf interner Quanten-Dynamik. Damit können wir, zusätzlich zu den oben genannten allgemeinen Fragen, untersuchen ob und wie die klassische (makroskopische) Physik direkt aus der mikroskopischen Quantenevolution durch die Dynamik komplexer Vielteilchensysteme entsteht. Das zentrale Ziel des Projektes ist es zu verstehen welche universellen Eigenschaften und Skalierungsgesetze bestimmen diese Entwicklung? Wir erwarten ein allgemeine s Verständnis von Nicht-Gleichgewichts-Vielteilchen-Quantensystemen zu entwickeln, das für eine große Breite von Forschungsfeldern universell ist.

In unserem Projekt untersuchen wir, wie sich Quantenmaterie - also Materie im extrem kleinen Maßstab - verhält, wenn sie aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Unser Ziel ist es, grundlegende Gesetzmäßigkeiten zu entdecken, die unabhängig vom konkreten System gelten - sogenannte universelle Prinzipien. Dabei arbeiten wir mit extrem dünnen Gasen aus Atomen und Molekülen, die wir in speziellen Experimenten bei ultrakalten Temperaturen untersuchen. Ein Schwerpunkt lag auf der Frage, wie sich chaotische oder ungeordnete Zustände im Lauf der Zeit in einfache, gut beschreibbare Formen verwandeln. Diesen Prozess nennt man "Gaussifizierung". Unsere Experimente dazu wurden in internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht und zeigen, wie aus komplexen Anfangszuständen durch natürliche Entwicklung eine geordnete Form entsteht. Außerdem haben wir untersucht, wie sich Systeme bei plötzlichen Veränderungen - sogenannten "Quantenübergängen" - verhalten. Um das zu steuern, haben wir neue Methoden entwickelt, mit denen wir Licht besonders präzise einsetzen können. Mithilfe künstlicher Intelligenz lässt sich so die Umgebung der Atome gezielt gestalten. Ein Rätsel aus früheren Arbeiten konnten wir ebenfalls klären: In einem bestimmten Versuchsaufbau hatten sich die Atome unerwartet verhalten. Nun wissen wir, dass dies an der besonderen Form des verwendeten Potentials lag. Neue Experimente mit alternativen Geometrien sollen das künftig verhindern. Ein weiterer Erfolg war das sogenannte "Floquet-Engineering", bei dem wir durch rhythmische Änderungen der Systembedingungen gezielt neue physikalische Eigenschaften erzeugen konnten. Damit gelang es uns, zwei ursprünglich voneinander unabhängige Atomwolken miteinander zu synchronisieren. Besonders spannend ist auch unsere Forschung an Molekülen, die stark miteinander wechselwirken. In diesem Bereich ist bisher wenig bekannt, weil es kaum Modelle oder Rechenmethoden gibt. Unsere Experimente mit Lithium-Molekülen zeigen, dass sich auch hier universelle Muster finden lassen - ein großer Schritt für das Verständnis solcher Systeme. In einem anderen Bereich konnten wir zeigen, wie sich Informationen in einem Quantenfeld ausbreiten - ähnlich wie Licht in einer gekrümmten Raumzeit, wie man sie aus der Relativitätstheorie kennt. Außerdem konnten wir nachweisen, wie sich Information zwischen zwei Bereichen im Raum auf elegante Weise verteilt - ein wichtiges Konzept in der Quantenphysik. Gemeinsam mit Theoriegruppen aus Innsbruck erforschen wir zudem eine Methode, mit der sich aus Experimenten direkt die zugrunde liegenden physikalischen Gesetze herauslesen lassen - ein Ansatz, der langfristig auch für Quantencomputer oder Materialforschung bedeutsam sein könnte.