Ultrakalte Atome und Moleküle: Von der Defektdynamik zum Quantenglas

Mit dem vorliegenden Antrag suche ich um Förderung von Grundlangenforschung auf dem Gebiet der theoretischen Vielteilchenphysik und Physik der kondensierten Materie von kalten Atomen und Molekülen an, wobei ich in einer interdisziplinären Herangehensweise Methoden der Physik der weichen Materie verwende um aktuelle Fragen der atomaren, molekularen und optischen Physik (AMO) zu behandeln. Durch die Entwicklungen des letzten Jahrzehntes im Bereich der AMO Physik ist es nun möglich ultrakalte Atome und Moleküle in das Quantenregime zu kühlen. Die enorme Bedeutung von ultrakalten Atomen in magnetischen und optischen Fallen liegt unter anderem darin, dass im Experiment die internen Wechselwirkungen durch externe Parameter verändert werden können und damit eine Vielzahl von Systemen simuliert werden kann. Ziel ist es nun, einerseits Systeme mit langreichweitiger Wechselwirkung zu realisieren als auch die Dynamik der Quantensysteme zu untersuchen und damit über das statische frozen gas regime hinauszugehen. Aussichtsreiche Vorschläge die dies ermöglichen basieren auf Rydberg Atomen und dipolaren Molekülen. Die Projekte die ich vorschlage behandeln diese neuen dynamischen Aspekte von dipolaren Kristallen. Die Dynamik und Wechselwirkung von Vacancy und Interstitial Defekten in zweidimensionalen Kristallen ist von grundlegender Bedeutung für Phasenübergänge im klassischen- als auch im Quantenregime. Eine derzeit offene Frage ist der Zusammenhang zwischen der Supersolid Phase und der Wechselwirkung von Vacancies. In vorbereitenden Arbeiten konnte ich zeigen, dass durch ein bestimmtes optisches Gitter die Defektwechselwirkung im Experiment kontinuierlich verändert werden kann. Ziel ist es die Dynamik dieser veränderlichen Defekten zu verstehen und ein Experiment vorzuschlagen, dass diesen Effekt nutzt um die Supersolid-Phase besser zu verstehen. Für ultraweiche Kolloidkristalle ist kürzlich eine neue Clusterphase gefunden worden, die sich dadurch auszeichnet, dass sich Cluster aus mehreren Teilchen bilden können, die wiederum kristallisieren. Diese Phase ist auch in zweidimensionalen Kristallen bestehend aus Rydberg-dressed Atomen gefunden worden die im ultrakalten Regime ein Supersolid bilden. In vorbereitenden Computersimulationen konnte ich zeigen, dass Defekte bei niedrigen Dichten in zwei unterschiedlichen Formen vorkommen: einerseits Vacancies und Interstitials, und andererseits als bisher unbekannte "Clusterdefekte". Ausgehend davon werde ich die dynamischen und statischen Eigenschaften dieser neuen Defekte untersuchen. Das langfristige Ziel ist es die Supersolid Phase, die in diesen Systemen gefunden wurden, auf Teilchenebene und deren Zusammenhang mit der Defektwechselwirkungen zu verstehen. Defekte können durch die Wechselwirkung zwischen mehren Schichten von dipolaren Kristallen entstehen. Ich werde untersuchen, ob in einem bilayer-System eine Glasphase auftreten kann. Die Anisotropie der Wechselwirkung von dipolaren Teilchen führt zur Bildung von Interlayer-Paaren die wiederum eine Kristallisation verhindern und das System in den Glaszustand führen. In weiterer Folge sehe ich als langfristiges Ziel ein Experiment basierend auf ultrakalten Atomen und Molekülen vorzuschlagen, das es erlaubt den Einfluss von Quantenfluktuationen auf diesen Übergang zu untersuchen.

Das vom FWF finanzierte Projekt Ultrakalte Atome und Moleküle: Von der Defektdynamik zum Quantenglas verfolgte das Ziel, die Vielteilchen Physik von Phänomenen in Systemen weicher Materie in Quantenexperimente zu übertragen. Dies beinhaltet die Physik von Gläsern, flüssig Kristallen und Defekte in kolloidalen Systemen. Der Fokus des Projektes lag dabei bei der grundlegenden Erforschung neuer Quantenphänomene sowie deren konkreten Implementierung in ultrakalten Quantengasen, Ionen und Nano-Teilchen in optischen Kavitäten. Highlights dieser Forschung sind Vorschläge für strukturelle Quantengläser in ultrakalten Atomen, steuerbare Flüssigkristalle bestehend aus Nano-strukturen in optischen Kavitäten, die Vorhersage eine Quanten-hexatischen Phase in dipolaren Kristallen, sowie ein Model für Kristallisation von Rydberganregungen in Atomen in optischen Gittern. Besonders erwähnenswert ist auch eine neue Architektur für sogenannte adiabatische Quantencomputer die es erlaubt beliebige Optimierungsprobleme zu enkodieren. Diese Architektur wurde auch als Patent angemeldet.