ForschungProjektbereich A
Teilprojekt A04

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

  • L. Tanzi, E. Lucioni, F. Famà, J. Catani, A. Fioretti, C. Gabbanini, R. N. Bisset, L. Santos, and G. Modugno (2019) Observation of a Dipolar Quantum Gas with Metastable Supersolid PropertiesPhys. Rev. Lett. 122, 130405
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.130405
  • X. Deng, S. Ray, S. Sinha, G. V. Shlyapnikov, and L. Santos (2019) One-Dimensional Quasicrystals with Power-Law HoppingPhys. Rev. Lett. 123, 025301
    DOI: /10.1103/PhysRevLett.123.025301
  • Jamadagni, A.; Weimer, H.; Bhattacharyya, A. (2018) Robustness of topological order in the toric code with open boundariesPhys. Rev. B 98, 235147
    DOI: 10.1103/PhysRevB.98.235147
  • Raghunandan, M.; Wrachtrup, J.; Weimer, H. (2018) High-Density Quantum Sensing with Dissipative First Order TransitionsPhys. Rev. Lett. 120, 150501
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.150501
  • Roghani, M.; Weimer, H. (2018) Dissipative preparation of entangled many-body states with Rydberg atomsQuantum Sci. Technol. 3, 035002
    DOI: 10.1088/2058-9565/aab3f3
  • Kshetrimayum, Augustine; Weimer, Hendrik; Orus, Roman (2017) A simple tensor network algorithm for two-dimensional steady statesNature Communicationsvolume 8, 1291
    DOI: 10.1038/s41467-017-01511-6
  • Overbeck, V. R.; Maghrebi, M. F.; Gorshkov, A. V.; Weimer, H. (2017) Multicritical behavior in dissipative Ising modelsPhys. Rev. A 95, 042133
    DOI: 10.1103/PhysRevA.95.042133
  • Weimer, H. (2017) Tailored jump operators for purely dissipative quantum magnetismJ. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 50, 024001
    DOI: 10.1088/1361-6455/50/2/024001
  • Kaczmarczyk, J.; Weimer, H.; Lemeshko, M. (2016) Dissipative preparation of antiferromagnetic order in the Fermi-Hubbard modelNew J. Phys. 18, 093042
    DOI: 10.1088/1367-2630/18/9/093042
  • Lammers, J.; Weimer, H.; Hammerer, K. (2016) Open-system many-body dynamics through interferometric measurements and feedbackPhys. Rev. A 94, 052120
    DOI: 10.1103/PhysRevA.94.052120
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MITARBEITERINNEN UND MITARBEITER

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