Projekt A04: Kontrolle polarer Moleküle in optischen Gittern

Das Ziel des Projekts A04 ist die Entdeckung neuartiger Phänomene in der Vielteilchen-Dynamik polarer Gittergase durch die Dipol-Dipol/Wechselwirkung sowie die Entwicklung von neuen Konzepten zur Kontrolle polarer Moleküle in optischen Gittern, vor allem in den Bereichen Kühlung, Detektion und Zustandspräparation. Während der ersten Förderperiode von DQ-mat haben wir neue Quasi-Lokalisierungsmechnanismen in polaren Gittergasen aufgezeigt, sowie die anomale Lokalisierung und Multifraktalität in durch dipolare Wechselwirkungen induziertem Spin-Transport. Darüber hinaus haben wir gemeinsam mit dem Projekt A04 neue Methoden zur Detektion, Verschränkung und der dissipativen Zustandspräparation von polaren Molekülen durch Atome entwickelt.

Einführung

Ultrakalte Atome in optischen Gittern haben sich in den letzten Jahren als Forschungsfeld sehr stark entwickelt und sich als neues interdisziplinäres Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen Festkörper- und Atomphysik etabliert. Experimente in diesem Bereich wurden bisher vor allem im Bereich atomarer Gase mit kurzreichweitigen und isotropen Wechselwirkungen durchgeführt. Eine neue Generation von Experimenten hingegen mit magnetischen Atomen, polaren Molekülen oder Rydberg-Gasen beginnt damit, die aus der Dipol-Dipol-Wechselwirkung resultierende Physik zu erforschen. Im Gegensatz zu den unpolaren Gasen besitzen polare Gittergase signifikante oder sogar dominierende Wechselwirkungen zwischen den Gitterplätzen. Aus diesem Grund sind diese Quantengase, vor allem polare Moleküle in optischen Gittern ein sehr vielversprechendes Szenario für die Quantensimulation von erweiterten Hubbard-Modellen und Spin-Hamiltonians.

Allerdings liegen die Kontrollmöglichkeiten für polare Moleküle hinter den für Atomen entwickelten Methoden zurück, weswegen erst eine Vielzahl an Herausforderungen bewältigt werden muss, bevor diese faszinierende Physik polarer Moleküle zugänglich wird. Die langfristige Vision dieses Projekts ist die Entwicklung neuer Ideen für die Kontrolle polarer Moleküle in optischen Gittern, insbesondere zu Kühlverfahren mit Hinblick auf die Nichtgleichgewichts-Physik polarer Gittergase und die Präparation interessanter Vielteilchen-Quantenzustände mit einem besonderen Fokus auf korrelierte für die Metrologie nutzbare Zustände.

Ergebnisse

In der ersten Förderperiode legen wir den Fokus auf die Nichtgleichgewichts-Dynamik polarer Gittergase sowie auf neue Methoden zur Detektion und dissipativen Zustandspräparation für polarer Moleküle.

Polare Moleküle in optischen Gittern stellen eine komplizierte Physik des Ungleichgewichts dar. Sie können sich entweder physisch von einem Ort zu einem benachbarten bewegen (Hubbard-Dynamik) oder Drehanregungen werden zwischen fixierten Molekülen übertragen (Spin-Dynamik). Diese Dynamik sowie die Präparation und Detektion interessanter Zustände polarer Moleküle in Gittern bilden den Schwerpunkt des Projekts A04.

Den ersten Punkt betreffend haben wir sowohl Hubbard- als auch Spin-Dynamik betrachtet. Mobile polare Teilchen in einem tiefen optischen Gitterpotential können durch erweiterte Hubbard-Modelle beschrieben werden. Wir haben vor kurzem zeigen können, dass die Kombination aus Energieerhaltung, einer endlicher Breite der Energiebänder und dipolaren Wechselwirkungen zu selbstgebundenen Gitter-Droplets sowie einer Quasi-Lokalisierung ohne Unordnung führt, durch die Bildung von dynamisch gebundenen Inter-Site-Dimeren mit einer anomal langen Lebensdauer. In einem Gitter fixierte polare Moleküle können in ihren Rotationszuständen einen Pseudo-Spin-Freiheitsgrad beschreiben. Spin-Anregungen können durch die dipolare Wechselwirkung zwischen den Teilchen propagieren, was zu speziellen Modellen mit Unordnung führt, wenn das Gitter nur teilweise gefüllt ist, was typischerweise der Fall ist. Wir konnten zeigen, dass diese Anregungen exotische Transport-Eigenschaften aufweisen, welche durch die Existenz von multifraktalen Zuständen charakterisiert sind, die weder lokalisiert noch ergodisch sind. Desweiteren haben wir unsere Analysen auf andere einem Potenzgesetz folgenden Wechselwirkungen erweitert, die beispielsweise in Ionenfallen realisiert werden können, wobei wir ebenfalls exotische Lokalisierungs-Eigenschaften gefunden haben.

Zudem haben wir die Kontrolle polarer Moleküle durch Wechselwirkungen mit Atomen untersucht. Ultrakalte polare Moleküle können starke chemische Reaktionen mit Atomen eingehen, was zu einer dissipativen Wechselwirkung führt. In einem Quanten-Zeno-Regime kann diese Wechselwirkung für die Detektion und die Verschränkung von Molekülen genutzt werden sowie für die kontrollierte Dissipation von Rotationsanregungen.

Zukunft

Unsere Untersuchung der Spin-Dynamik in polaren Gittergasen mit festen Gitterplätzen war seither im Wesentlichen auf Einteilchen-Anregungen beschränkt. In der nächsten Zeit werden wir unsere Betrachtungen auf Vielteilchen-Anregungen erweitern, welche ein Vielteilchen-System aus Hardcore-Bosonen beschreiben. Wir werden Effekte wie Many-Body-Localization unteruschen und wie der effektive Spin-Transport gemäß eines Potenzgesetzes die Ausbreitung von Verschränkung sowie die Korrelations-Eigenschaften des Vielteilchen-Systems beeinflusst. Wir werden zu dem Hubbard-Dynamik untersuchen, vor allem in zweidimensionalen polaren Gittergasen und die quasi-adiabatische Präperation von interessanten Vielteilchen-Zuständen wie dem Haldane-Isolator.

Desweiteren werden wir die Möglichkeiten untersuchen, die polare Moleküle bei gleichzeitigem zeitabhängigen Treiben und Dissipation bieten. Wir werden neue Techniken für das Floquet-Engineering von Vielteilchen-Wechselwirkungen durch kontinuierliche dynamische Decoupling- und Recoupling-Verfahren entwickeln. Wir werden uns besonders auf die Realisierung von topologisch geordneten Materiezuständen konzentrieren und deren Nutzbarkeit in metrologischen Anwendungen untersuchen.


Veröffentlichungen

Zeige Ergebnisse 1 - 30 von 30

Łącki M, Korbmacher H, Domínguez-Castro GA, Zakrzewski J, Santos L. Ground states of one-dimensional dipolar lattice bosons at unit filling. Physical Review B. 2024 Mär 4;109(12):125104. doi: 10.48550/arXiv.2311.14606, 10.1103/PhysRevB.109.125104
Wolf F, Heip JC, Zawierucha MJ, Shi C, Ospelkaus S, Schmidt PO. Prospect for precision quantum logic spectroscopy of vibrational overtone transitions in molecular oxygen ions. New Journal of Physics. 2024 Jan 16;26:013028. doi: 10.1088/1367-2630/ad1ad3, 10.1088/1367-2630/ad1ad3
Aramthottil AS, Łącki M, Santos L, Zakrzewski J. Role of interaction-induced tunneling in the dynamics of polar lattice bosons. Physical Review B. 2023 Mär 22;107(10):104305. doi: 10.48550/arXiv.2209.11644, 10.1103/PhysRevB.107.104305
Bilitewski T, Domínguez-Castro GA, Wellnitz D, Rey AM, Santos L. Tunable momentum pair creation of spin excitations in dipolar bilayers. Physical Review A. 2023 Jul 19;108(1):013313. doi: 10.48550/arXiv.2302.09059, 10.1103/PhysRevA.108.013313
Jamadagni A, Kazemi J, Weimer H. Learning of error statistics for the detection of quantum phases. Physical Review B. 2023 Feb 22;107(7):075146. doi: 10.48550/arXiv.2205.12966, 10.1103/PhysRevB.107.075146
Kazemi J, Weimer H. Driven-Dissipative Rydberg Blockade in Optical Lattices. Physical review letters. 2023 Apr 21;13(16):163601. Epub 2023 Apr 19. doi: 10.48550/arXiv.2209.00039, 10.1103/PhysRevLett.130.163601
Korbmacher H, Sierant P, Li W, Deng X, Zakrzewski J, Santos L. Lattice control of nonergodicity in a polar lattice gas. Physical Review A. 2023 Jan 5;107(1):013301. doi: 10.48550/arXiv.2207.06186, 10.1103/PhysRevA.107.013301
Korbmacher H, Domínguez-Castro GA, Li WH, Zakrzewski J, Santos L. Transversal effects on the ground state of hard-core dipolar bosons in one-dimensional optical lattices. Physical Review A. 2023 Jun 14;107(6):063307. doi: 10.48550/arXiv.2303.07217, 10.1103/PhysRevA.107.063307
Weimer H, Kazemi J. Unpredictability and entanglement in open quantum systems. New Journal of Physics. 2023 Sep 15;25(9):093034. doi: 10.1088/1367-2630/acf151
Jamadagni A, Weimer H. Operational definition of topological order. Physical Review B. 2022 Aug 31;106(8):085143. doi: https://arxiv.org/abs/2005.06501, 10.1103/PhysRevB.106.085143
Jamadagni A, Ospelkaus S, Santos L, Weimer H. Quantum Zeno-based detection and state engineering of ultracold polar molecules. Physical Review Research. 2021 Sep 2;3(3):033208. doi: 10.1103/PhysRevResearch.3.033208
Li WH, Dhar A, Deng X, Santos L. Cluster dynamics in two-dimensional lattice gases with intersite interactions. Physical Review A. 2021 Apr 23;103(4):043331. doi: 10.1103/PhysRevA.103.043331
Li WH, Deng X, Santos L. Hilbert Space Shattering and Disorder-Free Localization in Polar Lattice Gases. Physical Review Letters. 2021 Dez 20;127(26):260601 . doi: 10.48550/arXiv.2103.13780, 10.1103/PhysRevLett.127.260601
Weimer H, Kshetrimayum A, Orús R. Simulation methods for open quantum many-body systems. Reviews of Modern Physics. 2021 Mär 24;93(1):015008. doi: 10.1103/RevModPhys.93.015008
Deng X, Masella G, Pupillo G, Santos L. Universal algebraic growth of entanglement entropy in many-body localized systems with power-law interactions. Physical Review Letters. 2020 Jun 29;125(1):010401. 010401. doi: 10.1103/PhysRevLett.125.010401
Li WH, Dhar A, Deng X, Kasamatsu K, Barbiero L, Santos L. Disorderless Quasi-localization of Polar Gases in One-Dimensional Lattices. Physical Review Letters. 2020 Jan 10;124(1):010404. doi: 10.48550/arXiv.1901.09762, 10.1103/PhysRevLett.124.010404
Pistorius T, Kazemi J, Weimer H. Quantum Many-Body Dynamics of Driven-Dissipative Rydberg Polaritons. Physical review letters. 2020 Dez 30;125(26):263604. doi: 10.48550/arXiv.2003.10463, 10.1103/PhysRevLett.125.263604
Raghunandan M, Wolf F, Ospelkaus C, Schmidt PO, Weimer H. Initialization of quantum simulators by sympathetic cooling. Science advances. 2020 Mär 6;6(10):eaaw9268. doi: 10.1126/sciadv.aaw9268
Deng X, Ray S, Sinha S, Shlyapnikov GV, Santos L. One-Dimensional Quasicrystals with Power-Law Hopping. Physical Review Letters. 2019 Jul 12;123(2):025301. Epub 2019 Jul 10. doi: 10.48550/arXiv.1808.03585, 10.1103/PhysRevLett.123.025301
Tanzi L, Lucioni E, Famà F, Catani J, Fioretti A, Gabbanini C et al. Observation of a Dipolar Quantum Gas with Metastable Supersolid Properties. Physical Review Letters. 2019 Apr 5;122(13):130405. Epub 2019 Apr 3. doi: 10.48550/arXiv.1811.02613, 10.1103/PhysRevLett.122.130405
Chomaz L, Van Bijnen RMW, Petter D, Faraoni G, Becher JH, Mark MJ et al. Observation of roton mode population in a dipolar quantum gas. Nature Physics. 2018 Mai;14(5):442-446. Epub 2018 Mär 5. doi: 10.1038/s41567-018-0054-7
Deng X, Kravtsov VE, Shlyapnikov GV, Santos L. Duality in Power-Law Localization in Disordered One-Dimensional Systems. Physical Review Letters. 2018 Mär 16;120(11):110602. doi: 10.48550/arXiv.1706.04088, 10.1103/PhysRevLett.120.110602
Jamadagni A, Weimer H, Bhattacharyya A. Robustness of topological order in the toric code with open boundaries. Physical Review B. 2018 Dez 21;98(23):235147. doi: 10.48550/arXiv.1804.09718, 10.1103/PhysRevB.98.235147
Raghunandan M, Wrachtrup J, Weimer H. High-Density Quantum Sensing with Dissipative First Order Transitions. Physical review letters. 2018 Apr 13;120(15):150501. Epub 2018 Apr 9. doi: 10.1103/PhysRevLett.120.150501
Roghani M, Weimer H. Dissipative preparation of entangled many-body states with Rydberg atoms. Quantum Science and Technology. 2018 Jul;3(3):035002. Epub 2018 Apr 11. doi: 10.48550/arXiv.1611.09612, 10.1088/2058-9565/aab3f3
Kshetrimayum A, Weimer H, Orús R. A simple tensor network algorithm for two-dimensional steady states. Nature Communications. 2017 Nov 3;8:1291. doi: 10.1038/s41467-017-01511-6
Overbeck VR, Maghrebi MF, Gorshkov AV, Weimer H. Multicritical behavior in dissipative Ising models. Physical Review A. 2017 Apr 26;95(4):042133. doi: 10.1103/physreva.95.042133
Kaczmarczyk J, Weimer H, Lemeshko M. Dissipative preparation of antiferromagnetic order in the Fermi-Hubbard model. New journal of physics. 2016 Sep 22;18(9):093042. doi: 10.1088/1367-2630/18/9/093042
Lammers J, Weimer H, Hammerer K. Open-system many-body dynamics through interferometric measurements and feedback. Physical Review A. 2016 Nov 17;94(5):052120. doi: 10.1103/PhysRevA.94.052120
Weimer H. Tailored jump operators for purely dissipative quantum magnetism. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2016 Dez 22;50(2):024001. doi: 10.1088/1361-6455/50/2/024001
Alle Publikationen des Sonderforschungsbereichs

Projektleiter

Prof. Dr. Luis Santos
Adresse
Appelstraße 2
30167 Hannover
Gebäude
Raum
249
Adresse
Appelstraße 2
30167 Hannover
Gebäude
Raum
249
Prof. Dr. Silke Ospelkaus-Schwarzer
Adresse
Welfengarten 1
30167 Hannover
Adresse
Welfengarten 1
30167 Hannover

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Dr. Gustavo Alexis Domínguez Castro
Adresse
Appelstraße 2
30167 Hannover
Gebäude
Raum
244
Dr. Gustavo Alexis Domínguez Castro
Adresse
Appelstraße 2
30167 Hannover
Gebäude
Raum
244