Einfluss langreichweitiger Wechselwirkungen auf Phasenübergänge in Spin-Boson Modellen

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Slama
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465199066

Dieses Projektes zielt darauf ab, das kollektive Verhalten eines Spin-Systems zu untersuchen, wenn kollektive Wechselwirkungen zwischen allen Spins gleichzeitig mit langreichweitigen Wechselwirkungen benachbarter Spins auftreten. Dazu werden wir ein Dicke-Ising Spin-Boson Modell experimentell realisieren. Hierbei sind die Spin-Zustände durch Zeeman-Niveaus im Grundzustand kalter Rubidiumatome gegeben. Die kollektive Wechselwirkung wird dadurch vermittelt, dass die Atome in einen optischen Resonator eingebracht werden. Dort werden die Atome transversal zur Resonatorache optisch gepumpt und kollektiv in den Dicke-Phasenübergang getrieben. Gleichzeitig werden langreichweitige Wechselwirkungen zwischen den Atomen hergestellt, indem einer der beiden Spinzustände verstimmt an einen Rydberg-Zustand gekoppelt wird (Rydberg dressing). Auf diese Weise wird eine effektive Ising Wechselwirkung zwischen den Spins vermittelt, die langreichweitig auf der Mikrometer-Skala ist. Wir werden zuerst den Einfluss schwacher Ising Wechselwirkungen auf die kollektive Dynamik der Atome untersuchen, respektive deren Einfluss auf das Dicke-Phasendiagramm. In einem zweiten Schritt werden wir uns dem Regime widmen, bei dem die Ising Wechselwirkung und die Kopplungsstärke im Dicke-Modell gleich groß sind und miteinander in Wettstreit treten, und dort nach neuartigen Phasen und Phasenübergängen zu suchen. Die experimentellen Arbeiten werden im Rahmen der Forschergruppe "Long-range interacting QUantum SPin systems out of equilibrium: Experiment, Theory and Mathematics (QUSP)" durch eine Kooperation mit einem Projekt der theoretischen Physik unterstützt. Dieses wird das Dicke-Ising Modell theoretisch untersuchen und hierbei Vorhersagen zum erwarteten Phasendiagramm und zu universellem Verhalten am Phasenübergang entwickeln. Es wird außerdem dissipative Effekte aufgrund der Transmission von Photonen durch die Resonatorspiegel berücksichtigen. Die somit gewonnenen Erkenntnisse werden dem Experiment Werkzeuge an die Hand gegeben, um dynamische Phasen und ihre Phasenübergänge mit Hilfe der aus dem Resonator ausgekoppelten Photonen zu identifizieren und zu charakterisieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5413: Quantenspinsysteme mit langreichweitigen Wechselwirkungen: Experiment, Theorie und Mathematik
• Großgeräte: Rydberg laser, 480 nm, 1W
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Mitverantwortlich(e): Dr. Beatriz Olmos Sanchez