Nichtgleichgewicht in stark wechselwirkenden 1d Systemen

Die Dynamik und Relaxation eines Nichtgleichgewichtssystems ist eine der fundamentalsten Fragen der modernen Physik. Sie verbindet Quantenphysik mit statistischer Mechanik. Was bestimmt ob, und wie, ein isoliertes angeregtes viel-Teilchensystem fern vom Gleichgewicht einen stationären (thermischen) Gleichgewichtszustand findet? In den letzten Jahren haben wir sehr viel über Systeme mit schwacher Wechselwirkung und diskrete Gittersysteme gelernt, doch über stark wechselwirkende und stark korrelierte Systeme ist ganz wenig bekannt. In unserem Projekt untersuchen wir die Entwicklung und Relaxation von stark wechselwirkenden eindimensionalen (1D) Systemen aus Bosonen, Fermionen und im BEC-BCS Übergang, durch Experimente mit ultrakalten 6Li-Atomen. Wir fokussieren dabei auf zwei Hauptfragen in der Untersuchung von Nichtgleichgewichts- dynamik und Relaxation im stark wechselwirkenden Bereich: (1) Experimentelle Tests der kürzlich entwickelten verallgemeinerten Hydrodynamik (GHD), eine neue Methode um dynamische Vorgänge in 1D Systemen zu beschreiben. Wir werden untersuchen, ob GHD oder deren Erweiterungen verwendet werden kann um stark wechselwirkende Systems, den BEC-BCS Übergang und superfluide 1D Fermionen zu beschreiben. (2) Nichtgleichgewichtsentwicklung eines 1D Quantensystems im kompletten Bereich von stark wechselwirkenden Bosonen zum BEC-BCS Übergang bis tief zu den 1D Fermionen. Die Experimente werden mit einem stark wechselwirkenden Quantengas, aus 6Li Fermionen und 6Li 2 bosonischen Molekülen, in einer einzelnen Ebene aus 1D-Atomfallen durchgeführt. Die 1D Systeme werden individuell untersucht (1) in situ durch die Entwicklung de r Dichte und des Impulses (Rapidität); und (2) die makroskopische Wellenfunktion durch Interferenz und Korrelation. Mithilfe von Fluoreszenzabbildung wird das 1D Gas sichtbar gemacht, Atom bei Atom. Durch eine Kombination von Interferenz und Korrelationsmessung kann und die makroskopische Wellenfunktion (Ordnungsparameter) der Fermion-Paare beobachtet werden, was Einsicht in die superfluide Phase gibt. Die starke Unterdrückung von Verlustprozessen für 6Li 2 Moleküle ermöglicht einzigartige Untersuchung der Nichtgleichgewichtsdynamik für stark wechselwirkende Systeme und zu für langen Entwicklungszeiten. Mithilfe der Feschbach Resonanzen können die Wechselwirkungen eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Vielzahl von stark wechselwirkenden Systemen von Tonks Gasen (fermionisierte Bosonen) durch den BEC-BCS Übergang bis zu superfluiden Fermionen, zu erforschen. Unser vorgeschlagener experimenteller Aufbau hat folgende Vorteile: Direkte Abbildung von Einzelsystemen aus 1D Gasen und damit ein Verhindern von Effekten der Mittelung in eine großen Ensemble. Hochsensitive Fluoreszenzabbildung erlaubt Quanten limitierte Messung und detaillierte Untersuchung von Korrelationen (höherer Ordnung) in Dichte und Phase. Wegen des Durchführens mehrerer Experimente parallel zueinander im Optischen Gitter, werden die Ergebnisse statistisch signifikant aussagekräftiger.

Dieses Projekt entwickelte die Experimente mit ultrakalten 6Li-Atomen zur Untersuchung von stark wechselwirkenden eindimensionalen (1D) Systemen aus Bosonen, Fermionen und im BEC-BCS Übergang. Die Dynamik und Relaxation stark korrelierter Nichtgleichgewichtssysteme bleibt eine der fundamentalen Herausvorderungen der modernen Physik. Ob und wie genau findet ein Quanten-Vielteilchensystem - eine Ansamlung vieler wechselwirkender Quantenteilchen - wieder zurück in einen Gleichgewichtszustand? Ziel des Projekt war die Untersuchung solcher Nichtgleichgewichtsdynamik für stark wechselwirkende Systeme und für langen Entwicklungszeiten, ermöglicht durch die starke Unterdrückung von Verlustprozessen für 6Li-2 Moleküle. Durch magnetische Felder können die Wechselwirkungen mittels sogenannter Feschbach Resonanzen eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Vielzahl von stark wechselwirkenden Systemen von Tonks Gasen (fermionisierte Bosonen) durch den BEC-BCS Übergang bis zu superfluiden Fermionen, zu erforschen. Zentraler Erfolg war die erfolgreiche Präparation eindimensionaler "tubes" von stark wechselwirkenden Atomen. Das Laden einer einzelnen Schicht dieser 1D Wolken zusammen mit der entwickelten Fluoreszenzabbildung einzelner Atome und den ersten Resultaten zur Interferenz mehrerer Wolken bosonischer Li6 Moleküle, ermöglicht weitere Experimente welche die Fluktuationen der Dichte und/oder Phase innharlb der einzelnen Gase messen. Besonders in schwach wechselwirkenden Systemen hat diese volle statistische Information der Wahrscheinlichkeitsverteilung in den letzten Jahren zu erheblichen Entwicklungen im Verständnis und der Beschreibung kompolexer Viel-Teilchensysteme beigetragen. Ein wichtiges erreichtes Ziel dieses Projekts ist die erfolgreiche Implementierung einer experimentellen Platform zur Untersuchung und Erweiterung dieser Fargen im Bereich stark korrelierter Quanten-Systeme. Als eine erste Erweiterung konnte die gemessene Relaxation eines stark gestörten Systems durch universelles Verhalten fern-ab des thermischen Gleichgewichts beschrieben werden. Unabhaengig von den mikroskopischen Details und Wechselwirkungen ist die Entwicklung des Systems nahe solch Nicht-Thermischer Fixpunkte vollständig durch wenige universelle Parameter bestimmt. Die nachgewiesene Verbindung zu universeller Dynamic in schwach-wechselwirkenden Rubidium Gasen eröffnet spannende weitere Untersuchungen; von potentiellen Abweichungen der Quanten-Feld theoretischen Vorhersagen auf Grund der starken Wechselwirkungen oder in der Langzeitentwicklung hin zu universellen Korrekturen zur 1D Dynamik auf Grund der radialen Ausdehnung der Atomwolke. Experimentelle Tests der kürzlich entwickelten verallgemeinerten Hydrodynamik (GHD) eröffnen hier weiter einen komplimentären Zugang zum Verständniss dieser Dynamik. Basierend auf der mathematischen Integrabilität spezieller eindimensionaler Systeme erlaubt GHD dynamische Vorgänge in 1D Systemen unabhängig von ihrer Wechselwirkungsstärke zu beschreiben. Die im Projekt erreichte experimentelle Kontrolle der Wechselwirkungen und externen Potentiale erlaubten erste Implementierungen der fortlaufenden detaillierten Untersuchung der Validität der GHD oder deren Erweiterungen. Zusammengenommen schaffen diese Fortschritte eine vielseitige Plattform zur Erforschung von Quanten-Vielteilchenphysik und legen den Grundstein für zukünftige Präzisions-Messungen in einer Vielzahl von stark wechselwirkenden Systemen.