Konkurrierende Wechselwirkungen von Rydberg-Atomen

23. November 2023

Foto: UHH, AG Schmelcher

Diagramm eines Gitters aus neutralen Atomen, die als Zweiniveausysteme mit hoch angeregten Rydberg-Zuständen behandelt werden. Mikrowellenlaser mit Rabi-Frequenz Ωµw und Verstimmung ∆µw koppelt die Niveaus. Atome im gleichen Rydberg-Zustand unterliegen Van-der-Waals-Wechselwirkungen mit den Stärken Vs und Vp, während Vsp die dipolare Austauschwechselwirkung zwischen verschiedenen Niveaus steuert.

Der Wettbewerb zwischen den kurz- und langreichweitigen Wechselwirkungen von Rydberg-Atomen führt auf neue geordnete Quantenphasen. In „Physical Review Letters“ beschreibt ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Peter Schmelcher in Zusammenarbeit mit CUI-Doktorand Zeki Zeybek und Dr. Rick Mukherjee vom Fachbereich Physik, wie diese Quantenphasen entstehen und auf welchen Voraussetzungen sie basieren.

Das Zusammenspiel von kurz- und langreichweitigen Wechselwirkungen ist für unterschiedliche Phänomene verantwortlich, die in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft von Bedeutung sind. So tragen beispielsweise kurzreichweitige Van-der-Waals-Wechselwirkungen zur Stabilisierung der inneren Struktur von Proteinen bei. Dipol-Dipol-Wechselwirkungen beeinflussen den gesamten Faltungsvorgang eines Moleküls sowie die Wechselwirkungen mit anderen Molekülen. Exotische Quantenphasen mit konkurrierenden Ordnungen entstehen durch die Koexistenz von kurz- und langreichweitigen Wechselwirkungen in Vielteilchensystemen.

Aufgrund der begrenzten Kontrolle und der endlichen Temperaturumgebung ist die Untersuchung dieser Phänomene in ihrer natürlichen Umgebung jedoch eine Herausforderung. Dies hat dazu geführt, dass verstärkt ultrakalte Systeme für die Quantensimulation von Vielteilchenproblemen genutzt werden. Die beispiellosen Kontrollmöglichkeiten, die diese Plattformen über die Systemparameter und Geometrien bieten, haben die Untersuchung jener physikalischen Systeme sehr erleichtert, die in konventionellen Festkörpersystemen schwer oder gar unmöglich umzusetzen sind.

Neuer Ansatz kombiniert kurz- und langreichweitige Wechselwirkungen

In der aktuellen Arbeit entwickeln die Forschenden einen alternativen Ansatz zur Untersuchung der Vielteilchenphysik, welcher aus einer Kombination von kurz- und langreichweitigen Wechselwirkungen resultiert. Rydberg-Atome mit Van-der-Waals- und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen führen auf ein Phasendiagramm des Grundzustands in Gittern mit einfachen und dimerisierten Konfigurationen. Der Wettbewerb zwischen den Wechselwirkungen führt zu einem Wettbewerb zwischen der Luttinger-Flüssigkeit und den Dichte-Wellen-Phasen.

In der dimerisierten Konfiguration erhalten sie neben den einzelnen Phasen der Bindungsordnung und der Dichtewelle auch bisher unbekannte kombinierte Phasen, welche gleichzeitig Bindungs- und Dichtewellenordnungen aufweisen. Abschließend diskutieren die Forscher die experimentelle Möglichkeit, solche Phasen zu realisieren.

Originalpublikation

Zeki Zeybek, Rick Mukherjee, and Peter Schmelcher

„Quantum Phases from Competing Van der Waals and Dipole-Dipole Interactions of Rydberg Atoms”

Phys.Rev.Lett. 131, 203003 (2023)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.203003