Nichtgleichgewichtsdynamik und Relaxation in Vielteilchen-Quantensystemen

Nichtgleichgewichtssysteme sind allgegenwärtig. Im Gegensatz zu Gleichgewichtszuständen ist unser Verständnis der Dynamik von Systemen im Nichtgleichgewicht noch sehr limitiert, speziell was die Zeitskalen der Relaxation und die erreichbaren Endzustände betrifft. Vielteilchen-Quantensysteme fern des Gleichgewicht sind zentral in vielen verschiedenen Bereichen der Physik. Sie treten bei sehr unterschiedlichen Energie und Längenskalen auf: Zum Beispiel von der Hochenergiephysik und der Kosmologie zur Dynamik von Elektronen in Festkörpern Materie und dem aufstrebenden Gebiet der Quantenbiologie. Außerdem ist de- Kohärenz und die Entstehung der klassischen Welt aus der mikroskopischen Quantenbeschreibung ein fundamentaler Nicht-Gleichgewichtsprozess. In diesem Projekt schlagen wir vor, die physikalischen Grundlagen für die Nicht- Gleichgewichtsentwicklung und Relaxation in Vielteilchen-Quantensysteme durch Experimente im Labor zu untersuchen. Ultrakalte Atome bieten hierbei einzigartige Möglichkeiten für das Studium von Nichtgleichgewichtsproblemen und der damit verbundenen Quantendynamik. Eine große Zahl an Werkzeugen ermöglicht eine präzise Initialisierung von Anfangszuständen weit weg vom Gleichgewicht. Die kohärente Quantenevolution kann dann auf experimentell leicht zugänglichen Zeitskalen genau untersucht werden. Darüber hinaus ermöglicht die Einstellbarkeit der Atom-Atom Wechselwirkung, der Temperatur und der Dimensionalität die Realisierung einer Vielzahl von unterschiedlichen physikalischen Situationen und der damit verbundenen Quantenfeldtheorien. Die Realisierung von spezifischen Modellsystemen erlaubt es eine Vielzahl von Nicht- Gleichgewichts-Quantendynamik unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen zu untersuchen: Von schwach wechselwirkend zu stark korreliert, von schwach gestört zu quantenturbulent, von langsam verändernd zu Instabilitäten und exponentiellem Wachstum. Wir erwarten von solchen bewusst sehr diversen Experimenten einen tiefen Einblick in eine Reihe faszinierender Phänomene. Zum Beispiel: Pre-Thermalisierung und Emergenz von stationären Zuständen, (Quasi-) Teilchenerzeugung und Verstärkung von Anregungen oder die Verbreitung von Verschränkung. Eine zentrale Rolle in unserer Untersuchungen spielen isolierte Systeme, die Relaxation basiert dann ausschließlich auf interner Quanten-Dynamik. Damit können wir, zusätzlich zu den allgemeinen Fragen oben, untersuchen ob und wie die klassische (makroskopische) Physik direkt aus der mikroskopischen Quantenevolution durch die Dynamik komplexer Vielteilchensysteme entsteht. Das zentrale Ziel des Projektes ist es zu verstehen wie unter welchen Bedingungen sich ein Nichtgleichgewichts-Vielteilchen-Quantensystem zu einem (Quasi-) Gleichgewichtszustand entwickelt. Welche universellen Eigenschaften und Skalierungsgesetze bestimmen diese Entwicklung? Wir erwarten ein allgemeines Verständnis von Nicht-Gleichgewichts- Vielteilchen-Quantensystemen zu entwickeln, das für eine große Breite von Forschungsfeldern universell ist.

Obwohl viel über Gleichgewichtszustände von Quanten-Viel-Körper-Systemen bekannt ist, wissen wir nur sehr wenig über Nichtgleichgewichtsdynamik und Relaxation in diesen Systemen. Vor allem, ob und wie ein isoliertes Quantensystem in Richtung eines (thermischen) Gleichgewichts relaxiert, bleibt unklar. Quantengase sind ein ausgezeichnetes Modelsystem um Nicht-Gleichgewichtsdynamik in sehr verschiedenen Regimen zu studieren. Im speziellen untersuchen wir Nicht-Gleichgewichtszustände in schwach und stark wechselwirkend 1-dimensionalen und 2 dimensionalen Systemen, erzeugt (1) durch einen Quench (schnelle Änderung der Systemparameter) oder (2) durch spezielle optimale Protokolle. Ein zentrales Ziel ist es universelle Skalierungsgesetze zu finden die Relaxation unabhängig von den speziellen Eigenschaften und über Systemgrenzen hinweg beschreiben. In den letzten 4 Jahren haben wir neuartige Methoden entwickelt, um die Quanten-Vielkörperphysik durch Korrelationen höherer Ordnung zu untersuchen und diese verwendet, um die grundlegenden Parameter einer effektiven Feldtheorie, die dieses System beschreibt, zu extrahieren: die Propagatoren und die Vertices und ihre Abhängigkeit vom Impuls (laufende Kopplungskonstanten). Darüber hinaus haben wir das Wechselspiel von Informationen, die wir aus den Experimenten extrahieren können, und der Relaxation des Systems untersucht. Wir haben Quantenrecurrences für Quanten-Viel-Teilchen System mit Tausenden von Teilchen beobachtet. Dadurch konnten wir zeigen dass die Quantenphysik hinter einer scheinbaren klassischen Dichtematrix immer noch lebendig ist, und zurückkommen kann. Schließlich demonstrierten wir, zusammen mit einem parallelen Experiment im Oberthaler-Labor in Heidelberg, universelle Skalierung und Nichtgleichgewichtsuniversalität in der Relaxation eines Viel-Teilchen Systems nach einem starken Quench. Dies weist auf eine Verallgemeinerung der Renormierungsgruppe auf die Nichtgleichgewichtsphysik und die Existenz nichtthermischer Fixpunkte hin. Dies legt nahe, dass die Nichtgleichgewichtsentwicklung in Universalitätsklassen eingeteilt werden kann. Wenn sich dies verfestigt, dann können, in Analogie zu Gleichgewichtsphasenübergängen, Experimente an einem System die Nichtgleichgewichtsentwicklung in jedem System derselben Universalitätsklasse quantensimulieren.