exp. Quantenphysik, Quantengase, niedrigdimensionale Quantensysteme, ultrakalte Moleküle

Hanns-Christoph Nägerl ist einer der weltweit führenden Quantenphysiker auf dem Gebiet der ultrakalten Quantenvielteilchensysteme. Er ist besonders für seine Arbeiten zu atomaren Quantendrähten und zu molekularen Quantengasen bekannt. In seiner Forschung beschäftigt sich Hanns-Christoph Nägerl mit atomaren und molekularen Quantengasen in der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts. Es ist sein Ziel, im Labor Quantensimulatoren auf der Basis von lasergekühlten Atomen und Molekülen zu realisieren, um direkt im Experiment komplexe Vielteilchenquantenprozesse zu erhellen, die beispielsweise hinter der bisher ungeklärten Hochtemperatursupraleitung in Festkörpern stehen, die elektronischen Transport in zukünftigen elektronischen Schaltkreisen ermöglichen oder verhindern, oder die bei der Bildung von neuartigen Supraflüssigkeiten relevant sind. Die vollständige Kontrolle von Vielteilchenquantensystemen und die gezielte Erzeugung von Quantenmaterie sind wichtige Vorhaben der modernen Quantenphysik. So sollen Quantenzustände gezielt erzeugt (engineered) werden, um diese für die Simulation oder für neuartige Messaufgaben zur Verfügung zu stellen. Besonders relevant ist dieser Ansatz für dynamische Vielteilchenquantenprozesse, die aufgrund von Quantenkorrelationen in der Regel mit klassischen Simulationsverfahren auf herkömmlichen Computern nicht in den Griff zu bekommen sind. Zu diesem Zweck werden die neuesten Methoden aus der Quantenoptik, der Laserphysik und der Physik der Quantengase eingesetzt. Quantengase sind besonders gut für das Studium von Vielteilchenquantendynamik geeignet, da man unter exzellenter Abschirmung von der klassischen Außenwelt deren Dimensionalität und Wechselwirkungseigenschaften kontrollieren kann. Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Quantenkontrolle und das Studium der Quantendynamik in sogenannten Quantendrähten. Angesichts der weiterhin rasant fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen ist zu erwarten, dass bald die ultimative Grenze in der lateralen Ausdehnung erreicht werden wird, nämlich die Leiterbahnbreite von nur einem Atom. Mit Quantengasen in engen Lichtschläuchen lassen sich beispielhaft viele der dann zu erwartenden Effekte schon jetzt simulieren. Quantendrähte zeichnen sich durch eine Fülle von spannenden Vielteilcheneffekten aus. Diese wurden von Nägerl und seinen Mitarbeitern entdeckt und untersucht, wie z.B. die Fermionisierung im Fall von bosonischen Teilchen und deren Auswirkung auf den Quantentransport, die Über-Fermionisierung im Fall starker attraktiver Wechselwirkung und die Ausbildung von Quantenkristallen und der damit verbundenen Lokalisierung durch beliebig schwache Potentialstörungen. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist die Erzeugung und Untersuchung von molekularen Quantengasen. Diese zeichnen sich durch reichhaltige Wechselwirkungseffekte aus, welche zu neuartigen Vielteilchenquantenphasen und einer Vielfalt an bisher nicht untersuchten Phänomenen im Bereich des Quantenmagnetismus führen sollten. Hier mag der Schlüssel zum Verständnis der Hochtemperatursupraleitung liegen. Nägerl und sein Team haben in den vergangenen Jahren demonstriert, wie man Quantengase aus Molekülen bei hoher Teilchendichte und Temperaturen im Nanokelvin-Bereich erzeugen kann. Das war angesichts der Tatsache, dass die Technik der Laserkühlung nicht ohne Weiteres von Atomen auf Moleküle erweitert werden kann, eine quantenphysikalische Überraschung. Damit wurde die Tür zu einem neuen Forschungsbereich aufgestoßen. Unter anderem sollte es möglich werden, Quantenspinsysteme mit hunderten, wenn nicht gar tausenden von Quantenspins vollständig zu kontrollieren. Die Förderung durch den Wittgenstein-Preis wird es Hanns-Christoph Nägerl ermöglichen, seine Arbeiten zur Quantenkontrolle von Vielteilchensystemen auf die nächste Ebene zu heben. Ziel ist es, aus den molekularen Quantengasen heraus die Moleküle einzeln und zustandselektiv zu detektieren und in weiterer Folge auch einzeln zu manipulieren. Unter anderem werden damit direkt die räumlichen Korrelationsfunktionen und deren Zeitabhängigkeit zugänglich, womit man die Qualität der Quantensimulation quantifizieren kann. Mögliche weitere Anwendungen liegen in der Präzisionsmesstechnik und der Beantwortung der Frage, ob fundamentale Naturkonstanten wirklich konstant sind.

Das Wittgenstein-Projekt hat diverse Quantensimulations-Aktivitäten in der AG Nägerl gefördert. Drei Highlights stechen heraus: Die Quantensimulation von eindimensional Anyonen (publiziert in "Nature"), die Beobachtung der dynamischen Vielteilchenlokalisierung ("Many-Body Dynamical Localization (MBDL)", bei "Science" im Druck), und die Erzeugung von "Bethe-String" Zuständen (eingereicht). Auf der Basis von ultrakalten Atomen, die sich anfänglich kollektiv im Zustand eines Bose-Einstein Kondensats (BEC) befinden, konnten stark-wechselwirkende Anyonen in eindimensionalen Quantengas-Quantendrähten über die Messung der Impulsverteilung von Impurity-Atomen im Nulltemperaturlimes beobachtet werden. Die mittlere Impuls fungiert dabei als statistische Phase, die von bosonisch über anyonisch auf fermionisch eingestellt werden konnte. Für getriebene eindimensionale stark wechselwirkende Systeme wurde das Phänomen der Anderson-Lokalisierung im Impulsraum (MBDL) gefunden, welches selbst in Anwesenheit von starker Wechselwirkung stabil bleibt. Für attraktive Wechselwirkung konnten das erste Mal im Kontext der ultrakalten Quantengase sogenannte Bethe-Strings realisiert werden. Diese stellen die elementaren Anregungen von stark attraktiv wechselwirkenden eindimensionalen Quantendrähten dar. Weitere Höhepunkte des Wittgenstein-Projekts sind die Beobachtung von Einschlussresonanzen in einem dreidimensionalen Gitter bei starker Wechselwirkung, die Messung der Temperatur in stark-wechselwirkenden eindimensionalen (1D) und zweidimensionalen (2D) Quantengasen und die Beobachtung, dass das Zusammenspiel von starker Wechselwirkung und starkem Einschluss zu Kühleffekten führen kann (publiziert in "Science Advances"), die Realisierung eines Cäsium-BECs in einem angeregten Quantenzustand (publiziert in "Nature Communications") und die Beobachtung des 1D-2D Crossover-Regimes für stark wechselwirkende Quantengase (publiziert in "Nature Physics"). Das Wittgenstein-Projekt hat die Tür zu einer Reihe von Nachfolgeforschungsarbeiten und -Projekten aufgestoßen, u.a. zu den Anyonen, zu den Bethe-Strings und zu den Lokalisierungseffekten. Es ist geplant, diese und weitere Arbeiten zukünftig in Rahmen eines kürzlich vom ERC bewilligten ERC-Advanced Grant durchzuführen.