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Projekt
Anisotrope Wechselwirkung in einem ultrakalten Dysprosium Gas
Antragsteller
Professor Dr. Tilman Pfau
Fachliche Zuordnung
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung
Förderung von 2016 bis 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258183570
Unser ab-initio Verständnis makroskopischer Quantenphänomene, wie z.B. Supraleitung, Suprafluidität oder Quantenmagnetismus, basiert auf mikroskopischen, theoretischen Modellen. Diese Modelle beinhalten in der Regel Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bestandteilen, wie Elektronen, Löchern, Atomen oder Quasiteilchen. Starke Wechselwirkungen rufen jedoch oftmals ausgeprägte Quantenkorrelationen hervor, weshalb manche theoretischen Modelle schwer zu bewältigen sind. Diese Korrelationen können aber auch dazu führen, dass sich neue Materiezustände in der Gegenwart topologischer Ordnung oder eine Entartung des Grundzustands ausprägen. Experimentell ist dieses mikroskopische Verständnis auf dem Niveau einzelner Teilchen oft jedoch nicht zugänglich, so dass nur gemittelte bzw. makroskopische Größen ermittelt werden können. Quantengasmikroskope für zweidimensionale Anordnungen von ultrakalten Atomen erlauben, die räumliche Anordnung Teilchen für Teilchen zu detektieren, und geben somit Zugang zu den mikroskopischen (Quanten-)korrelationen. Hier schlagen wir vor, ein räumlich, Energie und Spin auflösendes Quantengasmikroskop für das magnetischste Atom, Dysprosium, zu bauen, das sowohl für fermionische als auch bosonische Ensemble eine präzise Kontrolle der kurz- und langreichweitigen Wechselwirkung erlaubt. Um den Effekt der dipolaren Wechselwirkung zwischen nächsten Nachbarn zu steigern, werden wir ein Gitter im nahen UV bei 360nm verwenden. So lässt sich die Nächste-Nachbar-Wechselwirkung um einen Faktor sechs im Vergleich zu bisherigen Experimenten steigern. Um weiterhin eine Einzelplatzauflösung innerhalb des UV-Gitters zu besitzen, wird das Mikroskop mit Hilfe eines langlebigen elektronischen Zustands um eine energieabhängige Speichertechnik und modernster magnetischer Abschirmung ergänzt. Mit dieser Speichertechnik kann das Abbe’sche Auflösungslimit der klassischen Mikroskopie überwunden werden und in den Bereich der superauflösenden Mikroskopie verschoben werden. Ähnliche Methoden werden schon in der Biologie im Falle der stochastischen optischen Rekonstruktionsmikrokopie (STORM) bzw. kürzlich für kalten Atomen durch Lokalisation in einem atomaren Dunkelzustand angewendet. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen, die mikroskopische Natur von diversen makroskopischen Quantenphänomenen und neuartigen Materiezuständen mit starker Nächster-Nachbar-Wechselwirkung, wie z.B. Haldane-Ketten oder Quantenmagnetismus in Spin-Gitter-Modellen, Atom für Atom zu entschlüsseln. Es ist darüber hinaus noch nicht klar, ob in den kürzlich entdeckten Quantentröpfchen kurzreichweitige Korrelationen existieren, unser geplantes Quantengasmikroskop wird es uns aber ermöglichen die Quantentröpfchen in dem UV-Gitter einzufrieren, um die makroskopischen Korrelationen zu bestimmen. Die mikroskopische Analyse wird theoretische Modelle testen und die Verbindung zwischen makroskopischen Quantenphänomenen und den zu Grunde liegenden mikroskopischen Mechanismen schlagen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
