Erforschung von Quantenfeldern mit ultrakalten Atomen

Quantenfeldtheorien (QFTs) gehören zu den grundlegendsten Beschreibungen physikalischer Systeme. Ein prominentes Beispiel ist das Standardmodell, das die Dynamik und Wechselwirkungen der fundamentalen Teilchen, aus denen alle Materie um uns herum besteht, durch die Sprache fluktuierender (Quanten-)Felder beschreibt. Die Anwendbarkeit von QFTs ist jedoch viel breiter und umfasst einen enormen Energiebereich von der Dynamik kurz nach dem Urknall bis zu den kältesten Orten im Universum, sogenannten Bose-Einstein-Kondensaten, die heutzutage in Laboren effizient erzeugt, manipuliert und gemessen werden können. Trotz ihrer Erfolge sind QFTs notorisch schwer zu berechnen, was in den meisten Fällen sogar auf klassischen Supercomputern eine exakte Lösung des Problems ausschließt. Am Atominstitut der TU Wien werden wir QFTs experimentell unter Verwendung analoger Quantensimulatoren untersuchen. Durch das Abkühlen von etwa 5000 Rubidiumatomen auf Temperaturen von nur einem Milliardstel Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt treten sie in eine neue Phase der Materie ein: ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat (BEC), in dem sich die Atome wie ein kollektives makroskopisches Quantenobjekt verhalten. Ähnlich wie die Dynamik von Wasser nicht als Bewegung einzelner Atome, sondern durch Wellen in der Fluiddynamik beschrieben wird, kann das BEC in der Sprache der QFTs beschrieben werden. Die Kombination der Stabilität der von Jörg Schmiedmayer pionierten AtomChips mit zusätzlicher optischer Kontrolle über ein digitales Mikrospiegelgerät ermöglicht uns Modell-QFTs im Labor zu entwerfen. Durch das hohe Maß an experimenteller Kontrolle über das System und die Messung können wir ihre Dynamik, Wechselwirkungen und Reaktion auf kontrollierte Störungen im Detail untersuchen. Insbesondere werden wir das Sine-Gordon-Modell untersuchen, das eine wechselwirkende QFT ist, die als effektive Beschreibung in einer Vielzahl von Quanten-Vielteilchensystemen erscheint. Mit komplementären theoretischen Entwicklungen unserer ungarischen Partner haben wir das Ziel analoge Quantensimulatoren für Präzisionsstudien der Nichtgleichgewichts- Quantenfeldtheorie zu etablieren.