Supersolid Phasen in dipolaren Quantengas

Dieses Projekt zielt darauf ab, die physikalischen Eigenschaften einer neuartigen Phase der Materie zu erforschen und zu verstehen, die seit 50 Jahren schwer fassbar ist: die suprasolide Phase. Die Suprasolidität ist eine paradoxe Phase, in der die Materie sowohl kristallisiert als auch supraflüssig ist. Das bedeutet, dass die Atome in dieser Phase an bestimmten Stellen des Raumes - den Kristallorten - lokalisiert sind und über das gesamte System delokalisiert werden, was einen reibungsfreien Fluss ermöglicht. Im Jahr 2019 wurden erstmals Superfestkörper in verdünnten Gasen aus Lanthanid-Atomen, die sehr nahe an den absoluten Nullpunkt von -273C abgekühlt sind, beobachtet. Atome aus der Familie der Lanthanoiden haben die besondere Eigenschaft, über weiträumige und anisotrope Dipol-Dipol- Wechselwirkungen zu interagieren. Durch eine Feinabstimmung des Wechselspiels zwischen den dipolaren Wechselwirkungen, den isotropen Kontaktwechselwirkungen, die bei der Kollision zwischen den Atomen entstehen, und der geometrischen Form der Teilchenfalle konnten Superfestkörperzustände erzeugt und experimentell beobachtet werden. In den folgenden Jahren soll dieses Projekt Fragen beantworten, die die wissenschaftliche Gemeinschaft in Bezug auf diese neuartige Phase der Materie beschäftigen. Insbesondere werden wir das Zusammenspiel der beiden gebrochenen Symmetrien (d.h. der durch das Kristall und der durch das Suprafluid gebrochenen Eichsymmetrie) hinterfragen: Wie wirkt sich die kristalline Struktur auf den suprafluiden Teilchenfluss aus? Das Zusammenspiel dieser gebrochenen Symmetrie und der Systemgeometrie wird ebenfalls untersucht: Können Superfestkörper in zwei Richtungen und im niederdimensionalen Raum existieren? Sind rotatorische und translatorische Suprafluidströmungen in diesen Zuständen erlaubt? Die Natur des Phasenübergangs selbst, der diesen beiden spontanen Symmetriebrechungen nachgibt, sowie seine Persistenz, sein Verhalten und seine Skalierung bei einer Vergrößerung des Systems ins Unendliche, werden ebenfalls hinterfragt und untersucht. Die Untersuchung wird auf zwei bestehenden Experimentalplattformen durchgeführt, mit deren Hilfe ultrakalte Quantengase von Erbium- und Dysprosiumatomen erzeugt werden können, zwei der magnetischsten Lanthanoidenarten, mit denen Superfestkörperzustände beobachtet wurden. Um unsere Studie durchzuführen, werden wir die reichhaltige Toolbox, die in den letzten zwei Jahrzehnten von der Ultrakaltgas-Gemeinschaft entwickelt wurde, nutzen und anpassen, sowie Konzepte und Analyseschemata, die in anderen Bereichen entwickelt wurden, erweitern. Der Erfolg dieser Methoden in anderen Kontexten verspricht interessante Ergebnisse für unser Projekt. Dank unserer Forschung hoffen wir, neue Lichtquellen und tiefere Einblicke in die sehr allgemeinen Themen der unintuitiven Eigenschaften der Quantenmaterie, der Vielteilchen-Phänomene und der Phasenübergänge zu gewinnen und neue Perspektiven für die Ultrakaltgas-Plattformen zu eröffnen.

Die Quantenmechanik sagt Verhaltensweisen voraus, die für die meisten von uns, selbst unter Wissenschaftlern, kontra-intuitiv und schwer vorstellbar sind. Supersolidität ist ein paradigmatisches Beispiel für diese Tatsache auf einer Vielteilchenebene. In der Tat ist Supersolidität eine Phase der (Quanten-)Materie, in der sowohl Kristallisation als auch Fließen von Teilchen (ohne Reibung) auftreten. Die Möglichkeit dieser Phasen war sogar unter Physikern umstritten. Sie wurde bereits in den späten 50er Jahren von mehreren Theoretikern vorhergesagt, blieb aber lange unerforscht, bevor sie 2019 erstmals in ultrakalten Gasen aus magnetischen Atomen beobachtet wurde, und zwar von drei Gruppen, darunter unsere Gruppe in Innsbruck. Im Projekt "Supersolid Phases in Dipolar Quantum Gases" haben wir uns vorgenommen, das Studium dieser neu entdeckten Phase zu vertiefen und auf neue Regime auszuweiten. Trotz seines vorzeitigen Endes hat das Projekt wichtige Ergebnisse erzielt. Insbesondere konnten wir das dynamische Verhalten von Supersoliden besser verstehen und erhielten mehrere Beweise für ihre Suprafluidität durch detaillierte Studien ihrer Dynamik nach Quenches, insbesondere ihrer Phasendynamik. Durch die experimentelle und theoretische Untersuchung des dynamischen bzw. thermodynamischen Übergangs in die Supersolidität gewannen wir tiefere Einblicke in die Mechanismen und das kritische Verhalten, das die Supersolidität ermöglicht. In weiteren Studien haben wir auch neue Möglichkeiten zur Manipulation oder Adressierung von Gasen aus magnetischen Atomen aufgezeigt, die in Zukunft für Vielkörperstudien genutzt werden können. All diese Studien haben wesentlich dazu beigetragen, unser Verständnis von Supersolidität zu erweitern, und haben wichtige erste Schritte zur Erweiterung ihrer Erkenntnisse realisiert.