1D Systeme mit langreichweitig wechselwirkenden Fermionen

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. Quanten-Simulatoren ermöglichen es uns, Verhaltensweisen zu untersuchen, die schwer oder unmöglich direkt zu beobachten sind. 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 Projekts ist es, Quanten-Simulatoren mit magnetischen Atomen zu entwickeln, um ungewöhnliche Materiezustände zu untersuchen, wie Supraleitung (wenn Elektrizität ohne Widerstand fließt) und topologische Phasen (die besondere Eigenschaften aufweisen, die stabil bleiben, selbst wenn das Material gebogen oder verformt wird). Durch die Nachbildung dieser Verhaltensweisen in einem Quanten-Simulator können wir neue Einblicke gewinnen, wie diese seltsamen Phänomene entstehen. Um die Ziele unseres Projekts zu erreichen, werden wir neue und verbesserte Werkzeuge für die Kontrolle und Detektion unserer Atome entwickeln und implementieren, insbesondere des sogenannten Spins. Diese atomare Eigenschaft wirkt wie ein winziger Magnet in den Atomen. Zunächst werden wir die benötigten Werkzeuge entwickeln, um diesen Spin in sehr kalten Atomen (Erbium-Atomen), die in einem Lichtgitter angeordnet sind, zu kontrollieren. Gleichzeitig werden wir an verbesserten Methoden und Protokollen arbeiten, um die Eigenschaften solcher Systeme zu untersuchen und einzigartige Quantenphänomene wie langreichweitige Korrelationen aufzudecken. Sobald wir die Atome und ihre Wechselwirkungen kontrollieren können, werden wir den Quanten- Simulator nutzen, um neue Materiezustände wie supraleitende und topologische Phasen zu erforschen. Dies sind komplexe Verhaltensweisen, die theoretisch vorhergesagt, aber selten in Experimenten beobachtet werden. In Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern werden wir diese einzigartigen Zustände im Labor vorhersagen und beobachten. Dieses Projekt steht im Einklang mit den Zielen des Quantum Austria Initiative Funding Scheme und zielt darauf ab, die Quanten-Simulationskapazitäten mit stark magnetischen ultrakalten Atomen zu erweitern und zur Weiterentwicklung der Quantenforschung und -technologie beizutragen.