Experimente mit Kalium-Cäsium Quantengasgemischen

Die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten in ultrakalten atomaren Gasen vor 20 Jahren war ein wissenschaftlicher Durchbruch nicht nur für die Atomphysik und die optische Physik, sondern für fast alle Teilbereiche der Physik und ihrer anverwandten Disziplinen. Wissenschaftsgebiete, die so unterschiedlich sind wie z.B. die Quantenoptik und die Quanteninformation, die Präzisionsmessung und die Sensorik, die Grundlagenphysik und die Physik der kondensierten Materie, sind von der Existenz von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC) stark stimuliert worden. Ein BEC, welches im Wesentlichen ein Null-Entropie Vielteilchenquantensystem darstellt, das sich für bosonische Teilchen bei Temperaturen im Bereich von Nanokelvin bildet, ist der ideale Ausgangspunkt für eine Vielzahl neuartiger Experimente und Untersuchungen, z.B. zu Quantenregistern aus ultrakalten Atomen für zukünftige Quantencomputer, zur Vielteilchen-Quantenverschränkung, zur Quantendynamik von Vielteilchensystemen, zu neuartigen Quantenphasen und Quantenphasenübergängen, zur Präzisionsspektroskopie und Interferometrie, und zu molekularen Quantensystemen. Ultrakalte Quantengasebieten eine Plattform, um neuartige Quanteneffekte und Quantenphänomene, die unweigerlich in der Zukunft in elektronischen Bauelementen im Hinblick auf die fortschreitende Miniaturisierung von Bauelementstrukturen in Richtung von einzelnen Atomen auftreten werden (z.B. Nanodrähte mit der Dicke eines Atoms), heute schon im Labor unter idealisierten Bedingungen zu studieren. Sie erlauben es uns, Quantensimulationen von Quantenmodellsystemen durchzuführen. Ziel des Projekts ist es, ein tieferes Verständnis von starkkorrelierter Quantenmaterie zu gewinnen, so z.B. von Quantensystemen in niedriger Dimensionalität, von Thermodynamik und Transportprozesse auf der Quantenebene und von dynamischen Prozessen in Quantenvielteilchensystemen. DasProjekt stützt sich auf eine bestehende,vielseitig verwendbare K-Cs Quantengasgemischapparatur, die in der Gruppe des Antragsstellers im Laufe der letzten 3,5 Jahre aufgebaut wurde, und es nutzt den hochentwickelten Baukasten der ultrakalten Atom- und Molekülphysik. Quantengasgemische von Kalium (K) und Cäsium (Cs) Atomen, die in Gitterpotentiale eingeladenwerden,werdenmitEinzelgitterplatzauflösung mikroskopiert. Das Ziel ist es, neuartige Vielteilchenquantenzustände zu generieren und zu testen. Insbesondere werden dipolare fermionische Quantengase aus KCs Molekülen erzeugt werden. Diese versprechen, neue Formen der Suprafluidität zugänglich zu machen und neuartige Quantenspinkristalle zu realisieren.

Die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC) in ultrakalten atomaren Gasen vor gut 25 Jahren war ein wissenschaftlicher Durchbruch nicht nur für die Atomphysik und die opti-sche Physik, sondern für fast alle Teilbereiche der Physik und ihrer anverwandten Disziplinen. Wissenschaftsgebiete, die so unterschiedlich sind wie z.B. die Quantenoptik und die Quanten-information, die Präzisionsmessung und die Sensorik, die Grundlagenphysik und die Physik der kondensierten Materie, sind von der Existenz von BEC stark stimuliert worden. Ein BEC, welches im Wesentlichen ein Null-Entropie Vielteilchenquantensystem darstellt, das sich für bosonische Teilchen bei Temperaturen im Bereich von Nanokelvin bildet, ist der ideale Aus-gangspunkt für eine Vielzahl neuartiger Experimente und Untersuchungen, z.B. zu Quanten-registern aus ultrakalten Atomen für zukünftige Quantencomputer, zur Vielteilchen-Quantenverschränkung, zur Quantendynamik von Vielteilchensystemen, zu neuartigen Quan-tenphasen und Quantenphasenübergängen, zur Präzisionsspektroskopie und Interferometrie, und zu molekularen Quantensystemen. Ultrakalte Quantengase bieten eine Plattform, um neuartige Quanteneffekte und Quantenphänomene, die unweigerlich in der Zukunft in elektro-nischen Bauelementen im Hinblick auf die fortschreitende Miniaturisierung von Bauelement-strukturen in Richtung von einzelnen Atomen auftreten werden (z.B. Nanodrähte mit der Dicke eines Atoms), heute schon im Labor unter idealisierten Bedingungen zu studieren. Sie erlau-ben es uns, Quantensimulationen von Quantenmodellsystemen durchzuführen, u.a. mit der Hoffnung, einen Mechanismus für das Phänomen der Hochtemperatursupraleitung zu identifi-zieren. Das durchgeführte Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, eine neue Klasse von Quantensimulato-ren zu entwickeln, konkret auf der Basis von ultrakalten, stark-wechselwirkenden KCs dipola-ren Molekülen im Regime der Bose- und Fermi-Quantenentartung. Mithilfe eines ausgetüftel-ten Quantendynamikprotokolls sollen die KCs Moleküle aus quantenentarteten atomaren Ge-mischen von K und Cs Atomen heraus erzeugt werden. Im Laufe des Projekts, welches jetzt nach dem Ende der FWF-Unterstützung primär von dem kürzlich gestarteten ERC-Advanced Grant des PI's finanziert werden wird, haben wir geeignete Streuresonanzen identifizieren können, an denen ultrakalte KCs Moleküle erzeugt werden können, haben Quantengastrans-port über große Distanzen entwickelt und ausgiebig getestet, haben uns der Entwicklung von verbesserten Laserkühltechniken gewidmet, um die Erzeugung und den Nachweis der Mole-küle optimieren zu können, haben diverse Techniken zur Probenmischung getestet, und ha-ben begonnen, eine "Next-Generation" Apparatur zu entwickeln, die es uns erlauben soll, die molekularen Ensembles vollständig in allen ihren (Quanten-) Freiheitsgraden zu kontrollieren und die ultrakalten Moleküle einzeln zu detektieren. Das primäre Ziel diese Projekts ist weiter-hin, neuartige Vielteilchenquantenzustände zu generieren und zu testen. Insbesondere wer-den dipolare bosonische und fermionische Quantengase aus KCs Molekülen erzeugt werden. Diese versprechen, neue Formen der Suprafluidität zugänglich zu machen und neuartige Quantenspinkristalle zu realisieren.