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Projekt
Koordinationsfonds
Antragsteller
Professor Dr. Walter Hofstetter
Fachliche Zuordnung
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung
Förderung von 2016 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277974659
Topologie hat sich als wichtiges Konzept zur Charakterisierung von Quantenmaterie etabliert, das zu einer Vielfalt neuer und exotischer Phasen führt. An der Grenze zwischen topologisch verschiedenen Phasen treten neuartige Phänomene auf, wie etwa fraktionale Ladungen oder chirale Ströme. Topologische Phänomene führen zu extrem präziser Quantisierung und Robustheit gegenüber Unordnung, und versprechen bahnbrechende Anwendungen, von der Metrologie bis zum Quantencomputing. Topologische Effekte stehen im Fokus aktueller Entwicklungen, wo mit beachtlicher Geschwindigkeit neue Konzepte und neue topologische Materialien entdeckt werden. Das Zusammenspiel von Topologie und starken Wechselwirkungen ist eine der fruchtbarsten und spannendsten Fragestellungen der Festkörperphysik. Weil Topologie und Wechselwirkung in realen Materialien nicht unabhängig variiert werden können, sind Quantensimulationen topologischer Systeme von großem Interesse. Ultrakalte Atome in optischen Gittern bieten eine vielseitige Plattform, in der starke synthetische Eichfelder und topologische Bandstrukturen mit durchstimmbaren Wechselwirkungen kombiniert werden können. Eichfelder werden hierbei durch geeignete Laserkopplung oder Gittermodulation auf der Basis leistungsstarker Floquet-Techniken erzeugt. Hierdurch sind beispielsweise bereits das Hofstadter- und das Haldane-Modell, Leitersysteme und eindimensionale Ketten realisiert worden. Auch ungeordnete und quasiperiodische Systeme sind zugänglich. Neben Quantensimulationen von Festkörpersystemen ermöglichen kalte Atome auch die Untersuchung von exotischen Systemen, beispielsweise bosonischer Art oder mit höherem Spin, höherdimensionale Systeme wie der 4d Quanten-Hall-Effekt, oder Floquet-Systeme ohne statisches Äquivalent. Quantengasmikroskopie ermöglicht zudem einen ortsaufgelösten Zugang zu topologischen Systemen, der neue Einsichten in stark korrelierte Phasen und direkte Manipulation exotischer Anregungen verspricht. In der ersten Förderperiode hat diese Forschungsgruppe in hohem Maß zu diesen Entwicklungen beigetragen, welche ultrakalte Atome an die vorderste Front topologischer Physik bringen. Dies war durch gemeinsamen Einsatz von Experiment und Theorie mit fortgeschrittensten experimentellen, analytischen und numerischen Techniken möglich. In der zweiten Förderperiode wird der Fokus auf der Realisierung wechselwirkender topologischer Phasen, bis hin zu fraktionalen Chern-Isolatoren, liegen. Wir werden den notwendigen theoretischen Hintergrund bereitstellen und systematisch die Erzeugung und Präparation topologischer Zustände studieren. Zudem werden wir mit nicht-abelschen Anregungen und dynamischen Eichfeldern neue Forschungsthemen erschließen, die auch eine Brücke zur Hochenergiephysik schlagen. Der gemeinsame Einsatz von Theorie und Experiment wird zu wichtigen Einsichten in wechselwirkende topologische Materie führen, und den Weg hin zu zukünftigen Anwendungen ebnen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
