Untersuchung stark korrelierter Systeme
Ultrakalte Atomgase eignen sich ideal zur Erforschung der Quantenphysik bei Mehrkörpersystemen sowie zur Untersuchung von Materie und exotischen Quantenphänomenen. Im EU-finanzierten Projekt "Strongly correlated ultracold Rydberg gases" (CORYGAS) wurden die außergewöhnlichen Eigenschaften hochangeregter Rydberg-Atome in dichten Atomgasen genutzt, um das Reich der stark korrelierten Mehrkörperphysik zu erkunden. Um Rydberg-Atome zu erzeugen, illuminierten die Wissenschaftler mit Lasern eine dichte Ansammlung kalter Gasatome. Diese sich im Grundzustand befindenden Atome wurden in den Rydberg-Zustand versetzt und traten in starke Wechselwirkung miteinander, was zu räumlichen Korrelationen führte. Die Wissenschaftler beobachteten mithilfe einer Resonanz für elektromagnetisch induzierte Transparenz, wie sich Polaritonen durch das angeregte ultrakalte Atomgas bewegten. Starke, weitreichende Wechselwirkungen zwischen Rydberg-Atomen erzeugten eine Polariton-Blockade, die zu großen optischen Nichtlinearitäten führte, und veränderten die Statistik der Polariton-Anzahl. Mit einer Kombination aus optischer Bildgebung und High-Fidelity-Detektion der Rydberg-Polaritonen untersuchte das Team dieses gekoppelte Atom-Licht-System. Die eingesetzten Verfahren erleichterten die Beobachtung des Energietransports erheblich. Volle Zahlstatistiken lieferten wertvolle Informationen über Rydberg-Wechselwirkungen in Mehrkörpersystemen. Insbesondere wurden neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich Korrelationen in solchen Systemen bilden. Korrelierte Systeme, die aus wenigen Anregungen (Aggregaten) bestehen, wurden durch sequentielles Wachstum erzeugt. Diese Anregungen traten miteinander in Wechselwirkung, um die Laser-Verstimmung auszugleichen. Des Weiteren beobachteten die Wissenschaftler eine plötzliche und spontane Entwicklung eines anfänglich korrelierten Gases aus repulsiv interagierenden Rydberg-Atomen zu einem ultrakalten Plasma. Es wurde festgestellt, dass Rydberg-Rydberg-Interaktionen die Dynamik der Plasmabildung stark beeinflussen. Die Wissenschaftler von CORYGAS zeigten, dass Rydberg-Interaktionen in ultrakalten Gasen dabei helfen, neue, stark korrelierte Mehrkörperphasen von Materie zu untersuchen, und beleuchten weiterhin Mechanismen zur Selbstanordnung. Schließlich ebnen sie den Weg zur Erforschung verschränkter Atomzustände, für die sich mit Sicherheit viele Anwendungen in Quanteninformationssystemen finden werden.
Schlüsselbegriffe
Korreliertes System, Laser, ultrakaltes Atomgas, Mehrkörpersystem, Rydberg-Atom, Umstimmung, Plasma
