Quantengasmikroskop für fermionisches Lithium

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 557407693

Dieser Antrag betrifft die Anschaffung eines Forschungsgrossgerätes, auch Quantengasmikroskop für fermionisches Lithium genannt, das in einer neuen Arbeitsgruppe an der Universität Hamburg zur Erforschung der Quanten-Vielteilchenphysik eingesetzt werden soll. Dieses Grossgerät ermöglicht die Untersuchung wechselwirkender Quanten-Vielteilchensysteme von Fermionen in Gittern und die Durchführung von Quantensimulationen von Festkörpermodellen für Hochtemperatur-Supraleiter. Der Fokus ist auf Quantensimulation von Fermi-Hubbard-Systemen in Dreiecks- und Quadrat-Gittern unter Verwendung ultrakalter fermionischer Lithiumatome. Insbesondere erwarten wir Beiträge zu den Themen Quantenspinflüssigkeiten, Hochtemperatur-Suprafluidität und Quantentransport von Ladung und Spin. Solche wechselwirkenden fermionischen Vielteilchensysteme sind numerisch äußerst anspruchsvoll zu simulieren, und das Quantengasmikroskop kann Systeme untersuchen, die auf klassischen Computern nicht exakt berechnet werden können. Der Versuchsaufbau basiert auf Gasen aus Lithiumatomen, die gekühlt und in einer magnetooptischen Falle eingefangen und dann durch Verdampfungskühlung weiter in den quantenentarteten Bereich abgekühlt werden. Das entstehende entartete Fermigas wird dann adiabatisch in ein optisches Gitter überführt, wo es mit Einzelplatz- und Einzelatomauflösung abgebildet wird. Die resultierenden Bilder ermöglichen eine mikroskopische Untersuchung fermionischer Quanten-Vielteilchensysteme auf Einzelteilchenebene. Dieser Versuchsaufbau ist der einzige weltweit, der stark wechselwirkende fermionische Gase in einem realräumlichen Dreiecksgitter mit Einzelatomauflösung untersuchen kann. Das Forschungsgrossgerät ist betriebsbereit und wird nach dem erfolgreichen Kauf von der University of Virginia, wo es von der Arbeitsgruppe Peter Schauss aufgebaut wurde, an die Universität Hamburg (Campus Bahrenfeld) nach erfolgreichem Umzug der Arbeitsgruppe and Abkaufs des Grossgerätes überführt. Dieser Kauf ist für Deutschland und die Universität Hamburg eine einmalige Gelegenheit, ein Forschungsgrossgerät zu erwerben, das normalerweise unverkäuflich ist. Forschungsergebnisse aus diesem Aufbau wurden in den international anerkannten Fachzeitschriften PRX Quantum und PRA veröffentlicht. An der Universität Hamburg gibt es derzeit keine Geräte, die die beschriebenen Forschungen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Quantengasmikroskop für fermionisches Lithium
• Gerätegruppe: 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Antragstellende Institution: Universität Hamburg
• Leiter: Dr. Peter Schauss