Quantendynamik in starkkorrelierten RbCs dipolaren Quantengasen

Ultrakalte Atome und Moleküle, die in Gitterpotentialen gefangen sind, versprechen vielseitige Möglichkeiten, um starkkorrelierte Quantenvielteilchensysteme zu präparieren und deren Eigenschaften und deren Quantendynamik zu studieren. Ein Meilenstein auf dem Gebiet der ultrakalten Atome war die experimentelle Realisierung des aus der Physik der kondensierten Materie bekannten Hubbard-Models und die damit verbundene Beobachtung des Quantenphasenübergangs vom Suprafluid zum Mott- Isolator für Systeme mit Kontaktwechselwirkung. Moleküle haben das Potential, das Spektrum an experimentell untersuchbaren starkkorrelierten Systemen erheblich zu erweitern.Besondersdipolare Moleküle mitihrerlangreichweitigen und winkelabhängigen elektrischen Dipol-Dipolwechselwirkung bieten neue Möglichkeiten, um neue Formen der Suprafluidität und interessante Vielteilchengrundzustände (wie z.B. dipolare Kristalle, suprasolide Festkörper, fraktionelleMott-Isolatoren, dipolare Quantenmagnete, ) zu studieren und deren Quantenphasenübergänge und generell ihre Quanten-Nichtgleichgewichtsdynamik auszumessen. Das vorliegende Projekt hat sich zum Ziel genommen, die Dynamik von ultrakalten Ensembles von dipolaren RbCs Molekülen in ein- und zweidimensionaler Geometrie und in Gitterpotentialen zu untersuchen. Die RbCs-Dipole, welche ausgehend von Atompaaren an einzelnen Gitterplätzen bei hoher Gitterbesetzung erzeugt werden, sollen zum einen im Regime der eingefrorenen Spins (d.h. fixierte Position im Gitter) und zum anderen im Regime von mobilen Dipolen untersucht werden. Ein Ziel wird sein, neuartige Vielteilchen- Spinmodelle zu realisieren, die Anwendungen im Bereich der Quantensimulation ermöglichen, und wir werden die Stabilität, die Dynamik und die Relaxationsprozesse für Systeme von Quantendipolen in niedrigdimensionaler Geometrie austesten. So zum Beispiel werden wir die Dynamik untersuchen, welche das erweiterte Bose-Hubbard- Modell erlaubt, d.h. das Hubbard-Model, welches um Terme ergänzt ist, welche die langreichweitige Dipol-Dipol-Wechselwirkung modellieren. Das vorgeschlagene Projekt basiert auf einem Quantengasgemischapparat, der derzeit im Rahmen eines SFB- Projekts finanziert wird und mithilfe dessen wir effizienten Grundzustandstransfer für RbCs-Moleküle in spezielle Hyperfeinunterzustände des RbCs-Grundzustandsmoleküls umgesetzt haben.

Das Gebiet der ultrakalten Quantengase hat sich in den letzten 25 Jahren spektakulär entwickelt. Ein Highlight war die erste Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) mit ultrakalten Atomen im Jahr 1995, eine Leistung, für die Cornell, Ketterle und Wieman 2001 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden und die seitdem zu vielen spektakulären Forschungsergebnissen geführt hat. In periodischen Gitterpotentialen bieten ultrakalte Atome und Moleküle unzählige Möglichkeiten zur kontrollierten Herstellung und Untersuchung stark korrelierter Quanten-Vielteilchensysteme. Für Atome waren Meilensteine auf diesem Gebiet die experimentelle Realisierung des Hubbard-Modells der Physik der kondensierten Materie und die Beobachtung des Phasenübergangs von Supraflüssigkeit zu Mott-Isolator für Systeme mit lokalen Kontaktwechselwirkungen. Moleküle haben das Potential, das Spektrum stark korrelierter Quantensysteme, die untersucht werden können, stark zu vergrößern. Insbesondere bieten dipolare Moleküle mit ihrer weitreichenden und orientierungsabhängigen elektrischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung neue Möglichkeiten, neuartige Formen der Suprafluidität und interessante Vielteilchen-Grundzustände (wie dipolare Kristalle, suprafeste Festkörper, fraktionierte Mott-Isolatoren, Quantenmagnete,) in Verbindung mit neuartigen Quantenphasenübergängen und allgemein Nichtgleichgewichts-Quanten-Vielteilchendynamik zu untersuchen. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Dynamik ultrakalter Bosonen von RbCs Molekülen zu untersuchen, die auf ein- (1D) und zweidimensionale (2D) Geometrie und Gitterpotentiale beschränkt sind. Die RbCs-Dipole, die ursprünglich aus Atompaaren hergestellt wurden und die sich an einzelnen Stellen eines optischen Gitters mit hohem Füllanteil befinden, werden im Regime der gefrorenen Spins (d. h. fester räumlicher Lage im Gitter) und im Regime beweglicher Dipole untersucht. Eine offene Frage ist, ob es möglich sein wird, Grundzustandsmoleküle in den Zustand eines BEC zu versetzen. Um die Moleküle im Regime der Quantenentartung herzustellen, ist ein aufwendiges Herstellungsverfahren erforderlich. In den letzten Jahren haben wir die meiste Zeit darauf verwendet, dieses Verfahren zu verbessern und einige der relevanten Prozesse im Detail zu verstehen. Zum Beispiel haben wir zum ersten Mal Einschluss-induzierte Resonanzen im 0D-Einschluss nachgewiesen. Diese Resonanzen treten auf, wenn die Längenskalen des Einschlusses und der Streuung miteinander konkurrieren, und diese wurden bisher nur in 1D- und 2D-Einschluss beobachtet. Des Weiteren haben wir das Phänomen des suprafluiden Transports untersucht. Wenn wir Atome über 200 Gitterplätze eines optischen Gitters transportieren, ist es entscheidend, die Geschwindigkeitsgrenze der Supraflüssigkeit nicht zu überschreiten. Tatsächlich werden Proben, die nicht suprafluid sind, überhaupt nicht transportiert. Außerdem haben wir unser zur Laserkühlung benötigtes Lasersystem komplett umgebaut, um den Aufbau zu vereinfachen und dadurch die Anzahl der Laser von ca. 20 auf 12 zu reduzieren.