Atomare Spinsysteme mit unendlich-reichweitiger Wechselwirkung

01.06.2022 bis 01.06.2026

Das Ziel des vorliegenden Vorhabens ist die Untersuchung großer und kleiner Spinsysteme, bei denen ein Resonatorfeld simultane Wechselwirkung unter allen Spins vermittelt. Wir planen detaillierte theoretische Studien am sogenannten Dicke-Ising-Modell, welches im Projekt 1 dieser Forschergruppe experimentell implementiert wird. Die über das Resonatorfeld vermittelten Wechselwirkungen „unendlicher“ Reichweite, koexistieren mit Kontaktwechselwirkungen vom Ising-Typ, welche über nichtresonante Laseranregungen zu Rydberg-Zuständen eingeführt werden. Wir planen die Untersuchung neuartiger Phasen und Phasenübergänge in diesem Modell und möchten die Potenziale für hochkorrelierte Vielteilchen-Quantenzustände ausloten.
Wir wenden uns dann der Untersuchung von Systemen mit wenigen Spins unter dem Einfluss unendlicher Austausch- oder Ising-Wechselwirkungen zu. Solche Systeme werden in diesem Projekt experimentell durch hochangeregte Rydberg-Atome als Spin in einem Mikrowellenresonator als Vermittler von Wechselwirkungen „unendlicher“ Reichweite realisiert. Starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen Rydberg-Atomen können zur Ausbildung von Rydberg-Superatomen führen, die ebenfalls einzelne Spins representieren und über das Resonatorfeld simultan miteinander wechselwirken können. Die Entwicklung von Quantensystemen bestehend aus wenigen und vielen Spins mit abstimmbaren Wechselwirkungen „unendlicher“ Reichweite bei gleichzeitiger Kontrolle der Kontaktwechselwirkungen wird für skalierbare Implementierungen von Quantenlogik-Gattern und die Realisierung dynamisch gesteuerter und konfigurierbarer Quantensimulatoren von größter Bedeutung sein.