Quantenfluktuationen in dipolaren Gasen: Quantentröpfchen, Wirbel und Störstellen

• Antragsteller: Professor Dr. Tilman Pfau
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392530138

Korrelationen und Fluktuationen spielen eine entscheidende Rolle für die physikalischen Eigenschaften quantenmechanischer Vielteilchensysteme. Besonders in Fällen in denen die Wechselwirkungsenergie über die kinetische Energie dominiert, ist eine Beschreibung solcher Systeme im Rahmen einer Molekularfeldnäherung oft nicht mehr möglich. Kürzlich konnte überraschenderweise gezeigt werden, dass auch bereits schwache, störungstheoretisch beschreibbare Korrelationen die physikalischen Eigenschaften solcher Systeme dominieren können. Dabei heben sich zwei unterschiedliche, schwache Wechselwirkungsmechanismen im Rahmen der Molekularfeldnäherung gegenseitig nahezu auf, während sich ihre Fluktuationen jedoch addieren. Ein erstes Beispiel hierfür war die Entdeckung eines selbstgebundenen Tröpfchenzustands einer extrem verdünnten Quantenflüssigkeit. In diesen sogenannten Quantentröpfchen eliminieren sich langreichweitige Anziehung und kurzreichweitige Abstoßung gerade so, dass die repulsiven Quantenfluktuationen beider Wechselwirkungen einen ansonsten instabilen Zustand stabilisieren können.In diesem Projekt sollen die grundlegenden Eigenschaften dieses ungewöhnlichen neuen Materiezustandes untersucht werden. Dazu sollen ultrakalte und stark dipolare Gase aus Dysprosium Atomen mit drei experimentellen Zugänge untersucht werden - Niederdimensionalität, dipolare Superfluidität und fermionische Störstellen. Durch die Reduzierung der Dimensionalität der Gase wird dabei das Verhalten der Fluktuationen stark modifiziert. Eine theoretische Beschreibung dipolarer Quantenfluktuationen in zwei Raumdimensionen ist beispielsweise bis heute unbekannt. Das Experiment betritt hier also Neuland und wird für laufende theoretische Berechnungen wichtige Bezugspunkte liefern. Auch in einer Raumdimension werden erste theoretische Ergebnisse zu dipolaren Quantenfluktuationen kontrovers diskutiert und erfordern daher experimentelle Tests. Im Bereich der dipolaren Superfluidität wird die Untersuchung einer vorhergesagten Anisotropie der dipolaren Fluktuationen und der kritischen Landau-Geschwindigkeit im Fokus stehen. Weiterhin soll untersucht werden, wie die aus der Molekularfeldnäherung rotierender Supraflüssigkeiten bekannten Abrikosov-Wirbelgitter in neuartige Streifenphasen übergehen können. Alle diese Phänomene finden bei Parametern nahe der Instabilitätsgrenze statt und reagieren daher besonders empfindlich auf die Effekte der Fluktuationen. Abschließend soll durch fermionische Störstellen ein neues, wichtiges Werkzeug zur experimentellen Untersuchung der Quantentröpfchen entwickelt werden. Neben dem Interesse am Verhalten solcher Störstellen per se, sollen diese hier vor allem genutzt werden, um Informationen über die Temperatur, spezifische Wärme oder andere thermodynamischen Eigenschaften der Quantentröpfchen zu gewinnen. Damit soll insbesondere die bisher unbekannte Art des Übergangs von der Gas- in die Tröpfchenphase geklärt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Single frequency seed laser + fiber amplifier 100W
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser