Ultracold Erbium: Exploring Exotic Quantum Gases

Ultrakalte Quantengase haben außergewöhnliche Eigenschaften und bieten ideale Möglichkeiten, um grundlegende Fragen der Physik im Detail zu studieren. Insbesondere sind sie als Modellsysteme für die Untersuchung der Eigenschaften von Festkörpern sehr gut geeignet. Seit der Realisierung der ersten Bose-Einstein-Kondensate im Jahr 1995 hat sich dieses Forschungsfeld enorm ausgeweitet, und heute werden bereits verschiedenste Atomsorten experimentell untersucht. Für dieses Projekt wurde ein neues, exotisches Element für Experimente mit quantenentarteten Gasen und stark korrelierten Systemen ausgewählt: Erbium, ein sehr seltenes und bisher wenig untersuchtes Metall. Erbium ist ein sehr vielversprechender Kandidat für die geplanten Experimente, weil es vergleichsweise schwer ist und einen stark magnetischen Charakter besitzt. Diese beiden Eigenschaften lassen ein extremes dipolares Verhalten solcher Quantensysteme erwarten. Überdies existieren von diesem Element zahlreiche Isotope, von denen eines fermionische Eigenschaften hat. Damit lassen sich auch stark wechselwirkende Fermi-Gase erzeugen. Kein anderes Element, das bisher für Quantengas-Experimente eingesetzt wird, bietet diese einzigartige Kombination von Eigenschaften. Die Auswahl von Erbium wird damit neue Einblicke in die komplexen Wechselwirkungseigenschaften stark korrelierter Systeme ermöglichen und bietet vor allem neue Ansatzpunkte für die Untersuchung des Quantenmagnetismus mit kalten Atomen. Diese magnetischen Eigenschaften konnten in bisherigen Experimenten nur unzureichend analysiert werden. Da die fundamentalen Wechselwirkungseigenschaften von Erbium-Atomen bisher unbekannt sind, wird in dem Projekt zunächst eine optisch eingefangene ultrakalte Erbium-Wolke mit der sogenannten Feshbach-Spektroskopie untersucht. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend, wollen wir geeignete Strategien finden, um Bose-Einstein- Kondensate und entartete Fermi-Gase mit Erbium-Atomen zu realisieren. Außerdem wollen wir ein Gas mit stark polaren Erbium-Molekülen synthetisieren. Diese quantenentarteten atomaren und molekularen Systeme werden wir dann als Ausgangsbasis dafür benutzen, um Quantenmaterie mit extremem polarem Charakter herzustellen und dessen Vielteilchenwechselwirkungen zu untersuchen. Ein Beispiel dafür ist ein stark korreliertes, zweidimensionales Gas. Später wollen wir die schweren Erbium-Atome mit den viel leichteren Lithium-Atomen mischen, um durch die extreme Kombination von Massen die Modifikationen von schwach gebundenen Efimov- artigen Dreikörperzuständen zu analysieren und damit neue physikalische Erkenntnisse über Mehrkörperphänomene zu erlangen. Diese vielfältigen Forschungsansätze deuten bereits das reichhaltige physikalische Repertoire an, dessen Untersuchung ultrakalte Erbium-Systeme im Experiment ermöglichen. Eine erfolgreiche Umsetzung der geplanten Vorhaben verspricht Erkenntnisse über die fundamentalen Eigenschaften stark korrelierter Systeme mit komplexen Wechselwirkungen. Der Forschungsstandort Innsbruck bietet ein ideales Umfeld für dieses Projekt, da das Institut für Experimentalphysik ein Teil des Forschungszentrums für Quantenphysik ist, welches international eines der führenden Institute in diesem Forschungsgebiet darstellt. Es umfasst experimentelle sowie theoretische Forschungsgruppen, die an der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation tätig sind.

Die außergewöhnlichen Fortschritte im Forschungsfeld der ultrakalten Quantengase haben neue Türen zum Verständnis der modernen Quantenphysik eröffnet. Im Rahmen des START Preises haben wir neuartige Techniken entwickelt, die uns zum ersten Mal die Erzeugung von ultrakalten bosonischen und fermionischen Quantengasen aus hochmagnetischen Erbiumatomen ermöglicht haben. Die Fokussierung auf diese weitgehend unerforschte und exotische Atomspezies liegt in deren Eigenschaft begründet, aufgrund des großen magnetischen Momentes auch über lange Distanzen mittels der sogenannten Dipol-Dipol-Wechselwirkung interagieren zu können. Unter Verwendung dieses langreichweitigen Quantengases konnten wir eine Vielzahl neuartiger Phänomene beobachten. Dazu gehören die anisotrope Streuung von Quantenteilchen, die evaporative Kühlung von identischen Fermionen, die Deformation der Fermioberfläche und die Existenz eines dichten "Waldes" von Fano-Feshbach Resonanzen aufgrund des stark anisotropen Charakters der Wechselwirkung zwischen den Atomen.