Nichtgleichgewichtsphänomene in Rydberg-Gittern unter Zwangsbedingungen.

01.07.2020 bis 30.06.2023

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.