Quantengase mit durch Zwangsbedingungen eingeschränkter Dynamik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Mari Carmen Bañuls; Professor Igor Lesanovsky
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499180199

Dieses Projekt zielt darauf ab, neue Ansätze für das Verständnis komplexer Quantensystemen mit eingeschränkter Dynamik zu entwickeln und anzuwenden. Bei diesen Systemen handelt es sich um Vielteilchenmodelle, die ursprünglich zur Untersuchung klassischer glasartiger Substanzen konzipiert wurden. In diesen kann die Relaxationdynamik so langsam werden, dass der stationäre Zustand auf experimentell zugänglichen Zeitskalen nicht erreicht wird. Solche Modellsysteme können mit Hilfe stark wechselwirkender Spins formuliert werden, bei denen die Änderung des Zustands eines bestimmten Spins vom Vorhandensein einer bestimmten Spinkonfiguration in dessen Nachbarschaft abhängig ist. Das Verständnis von quantenmechanischen Verallgemeinerungen solcher Systeme steckt noch in den Kinderschuhen, teilweise aufgrund der Tatsache, dass die Behandlung quantenmechanischer Systeme mit wachsender Größe im Vergleich zu ihrem klassischen Gegenstück exponentiell aufwändiger wird. In diesem Projekt werden wir eingeschränkte Quantenvielteilchensysteme mit kinetischen Zwangsbedingungen konstruieren und analysieren sowie experimentelle Realisierungen dafür vorschlagen. Hierfür werden wir einerseits fortschrittliche numerische Methoden auf der Grundlage von Tensornetzwerken einsetzen. Diese werden es erlauben den Zusammenhang zwischen eingeschränkter Relaxationsdynamik und den spektralen Eigenschaften des Generators der Vielteilchendynamik zu untersuchen. Weiterhin werden diese Methoden es ermöglichen die zeitliche Entwicklung von quantenmechanischen und klassischen räumlichen und zeitlichen Korrelationen zu studieren. Zusätzlich werden wir ein theoretisches Gerüst zur Untersuchung dynamischer Phasenübergänge entwickeln und einsetzen, das auf Large-Deviation-Methoden und dem Konzept zeitintegrierter Ordnungsparameter basiert. Außerdem werden wir quantenmechanische Modelle mit eingeschränkter Dynamik formulieren und analysieren, die in unserer Forschergruppe experimentell realisiert werden, z.B. in einem Experiment, das auf einem kalten atomaren Quantengas mit zwei Spezies basiert. Wir erwarten, dass unsere Forschungsergebnisse zu einem wesentlichen Fortschritt im Verständnis von Relaxationsprozessen in offener und geschlossener Quantenmaterie sowie in der Charakterisierung komplexer dynamischer Phasen führen werden. Darüber hinaus wird unsere Arbeit neuartige numerische und analytische Werkzeuge hervorbringen, von denen das Forschungsfeld insgesamt profitieren wird.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5522: Quantenthermalisierung, Lokalisierung und eingeschränkte Dynamik mit wechselwirkenden ultrakalten Atomen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Juan P. Garrahan