Nichtgleichgewichtsphänomene in Rydberg-Gittern unter Zwangsbedingungen.

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Groß; Professor Igor Lesanovsky
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428276754

Die Untersuchung von Quantensystem weit entfernt vom Gleichgewicht ist momentan ein wichtiges Thema der physikalischen Grundlagenforschung. In dem hier vorgeschlagenen Projekt planen wir einige Aspekte dieses weiten Themengebietes zu untersuchen. Unser Fokus liegt dabei auf der Implementierung und Erforschung von Quantenversionen von Nichtgleichgewichtsprozessen, die der Entstehung glasartigen Verhaltens in Vielteilchensystemen zugrunde liegen. Unser Projekt baut dabei auf einer Verbindung zwischen wechselwirkenden Rydberg Atomen, also Atomen in hoch-angeregten Zuständen, und Modellen aus der Physik der weichen Materie auf. Bei diesen handelt es sich um Spin-Systeme mit sogenannten kinetischen Zwangsbedingungen, die den Effekt eines verbotenen Volumens um ein Teilchen simulieren. Solche Zwangsbedingungen führen zu sehr langsamer und vor allem hochgradig kollektiver Relaxationsdynamik. In Rydberg Gasen treten Zwangsbedingungen natürlicherweise als Konsequenz starker Wechselwirkungen auf.Im vorliegenden Forschungsantrag konzentrieren wir uns auf Zwangsbedingungen, die Rydberg Anregung in einer Art und Weise begünstigen, so dass die Wahrscheinlichkeit ein Atom in der Nähe eines bereits angeregten Atoms zu erzeugen erhöht ist. Diese Mechanismus ist analog zu etablierten Modellen für klassische Gläser, wie zum Beispiel dem Fredrickson-Anderson Spin Modell, in dem Spins nur gedreht werden können, wenn ein Nachbar bereits gedreht ist. Diese einfachen Modelle zeigen viele für Gläser charakteristischen Eigenschaften, darunter dynamisch heterogenes Verhalten und sehr langsame Relaxation. Rydberg Atome erlauben es nun diese Modelle im Quantenbereich zu studieren, in dem die Spinrotationen kohärent stattfinden. Über dieses Regime ist theoretisch nur sehr wenig bekannt und auch experimentell existieren kaum Studien. Dies ist insbesondere der Fall für lange Evolutionszeiten und mehr als eine räumliche Dimension.Das Ziel unser Studie ist ein hybrides theoretisch/experimentelles Forschungsprogramm zu diesen Systemen zu realisieren, welches neue Einblicke in die stark korrelierte Quantendynamik von Spin-Gläsern mit Zwangsbedingungen in Gittern ermöglicht. Dafür planen wir ein existierendes experimentelles System anzupassen, so dass es die Beobachtung und Charakterisierung von Rydberg Gasen in Gittern, in einer und zwei Dimensionen, und insbesondere für lange Zeiten erlaubt. Weiterhin werden wir theoretische Modelle und numerische Methoden entwickeln um die korrelierte Vielteilchen-Dynamik zu verstehen. Dabei ermöglicht die enge Anbindung an das Experiment notwendige Näherungen direkt zu überprüfen.Unser Projekt umfasst die Entwicklung neuer Ansätze zur experimentellen Kontrolle von Quanten-Vielteilchensystemen für lange Zeiten, sowie die Entwicklung neuer theoretischer Methoden. Wir hoffen damit eine starke Verbindung zwischen der Physik kalter Atome in optischen Gittern oder Mikrofallen und der Physik der weichen Materie zu etablieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1929: Giant Interactions in Rydberg Systems (GiRyd)