Thermodynamik von Ionen-Coulomb-Kristallen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Tanja E. Mehlstäubler
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265861437

Lasergekühlte Ionen-Coulomb-Kristalle stellen eine der vielversprechendsten experimentellen Plattformen für die Quantensimulation von Vielteilchensystemen dar. Während in der Vergangenheit der Fokus hauptsächlich auf reinen, harmonischen Systemen im thermodynamischen Gleichgewicht lag, zieht neuerdings die Analyse von Nicht-Gleichgewichtsdynamik und nicht-integrablen Systemen die Aufmerksamkeit auf sich. Eine neue Herausforderung stellt das Verständnis von Wärmetransport in niedrig-dimensionalen Quantensystemen dar, wie z.B. in nanoskaligen Festkörpersystemen, wo mikroskopische Parameter nicht kontrollierbar und thermodynamische Quantitäten wie der Wärmestrom unzugänglich sind. Insbesondere Nichtlinearitäten bringen eine Reihe von faszinierenden Effekten beim Wärmetransport hervor, wie z.B. thermische Gleichrichtung, die analytisch nicht zugänglich sind. Unser Projekt wird lasergekühlte Ionen-Coulomb-Kristalle als ein kontrolliertes Testsystem einsetzen, um die Thermodynamik von Quantensystemen zu untersuchen. Wir werden Auswirkungen von Fehlstellen und von topologischen Defekten auf den Wärmetransport in niedrigdimensionalen Systemen untersuchen. In einem ersten Schritt werden spektroskopische Verfahren entwickelt, um den Transport von lokalen Schwingungsanregungen und die Ankopplung an externe Wärmebäder zu untersuchen. Der Zusammenbruch des Fourierschen Gesetzes in linearen Kristallen soll experimentell nachgewiesen und der Einfluss von Dissipation und Inhomogenität untersucht werden. In einem zweiten Schritt werden Coulomb-Kristalle mit Fehlstellen und topologischen Defekten dotiert und die räumliche Verteilung der Phononen untersucht. Das Einbringen von zusätzlichem Rauschen soll den Wärmetransport über Fehlstellen hinweg ermöglichen. Langfristig soll die Thermalisierung von komplexen Kristallen, nahe eines strukturellen Phasenübergangs, an welchem typischerweise hohe Nichtlinearitäten auftreten, spektroskopisch untersucht werden. Indem die Vibrationsanregungen der einzelnen Ionen in das Quantenregime, nahe dem Grundzustand, gebracht werden, werden Phasenübergänge von leitenden und nicht-leitenden Phasen sichtbar werden. Mit den in diesem Projekt entwickelten Methoden werden tribologische Untersuchungen im Quantenregime mittels Spektroskopie an topologischen Defekten zugänglich werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen