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Paarkorrelationen in atomaren Bose-Gasen

01.04.2021 bis 31.03.2024

Paarkorrelationen spielen für die Physik wechselwirkender Quantengase eine zentrale Rolle. In atomaren Bose- und Fermigasen können sie mit Hilfe von Feshbach-Resonanzen über viele Größenordnungen variiert werden. Diese Kontrolle wird in der aktuellen Forschung auf vielfältige Weise genutzt und macht das Gebiet der atomaren Quantengase für ein vertieftes Verständnis quantenmechanischer Vielteilchensysteme außerordentlich fruchtbar.
Bisher konnten Paarkorrelationen nur über die mit ihnen verbundenen erhöhten inelastischen Streuverlusten beobachtet werden. Diese Methode ist sehr zeitaufwändig, da für jeden Datenpunkt ein kompletter experimenteller Zyklus von mehreren zehn Sekunden durchlaufen werden muss. Die Aufnahme aussagekräftiger Spektren erfordert daher mehrere Tage bis Wochen. Wir haben im letzten Jahr eine Methode entwickelt, mit der wir diese Probleme überwinden und Paarkorrelationen in situ mit einer Zeitauflösung von unter 100 Nanosekunden beobachten können, ohne dass das atomare Quantengas dabei zerstört wird. Mit dem vorliegenden Antrag wollen wir das Verfahren weiterentwickeln und es auf zwei fundamentale Fragestellungen anwenden.
Die erste Thematik betrifft unitäre Bose-Gase. Unitäre Bose-Gase sind Quantengase mit maximaler Paarkorrelation bei kleinen Abständen. Sie sind universale Vielteilchensysteme, deren Eigenschaften nur von der Masse der Atome und der Teilchendichte abhängen. Aufgrund ihrer fundamentalen Wichtigkeit sind sie derzeit Gegenstand intensiver experimenteller und theoretischer Forschung. Wir wollen unser Verfahren dazu nutzen, die dynamischen Eigenschaften unitärer Bose-Gase zu untersuchen. Dazu wird die Streulänge periodisch moduliert und die Änderung der Paarkorrelation unmittelbar im Ionensignal in situ und hoher Zeitauflösung nachgewiesen.
In einem zweiten Teilprojekt wollen wir mit unserem Verfahren Efimov-Trimere nachweisen. In unserem Tübinger Lithium-Rubidium-Gemisch haben wir in der Vergangenheit gebundene heteronukleare Efimov-Dreikörperzustände untersucht. Auch hier war man bisher auf die äußerst zeitaufwändige und rauschbehaftete Beobachtung von Dreikörperverlusten angewiesen. Efimov-Zuständen, die aus einem leichten Atom (Lithium) und zwei schweren Atomen (Rubidium) bestehen, kann man auf ein Zweikörperproblem zurückführen, indem man die schnelle Dynamik des leichten Atoms adiabatisch eliminiert. Dies führt zu einem zusätzlichen Potential zwischen den beiden schweren Atomen. Die damit verbundene Änderung der Paarkorrelation der schweren Atome sollte sich im Ionensignal in Echtzeit beobachten lassen.