Verflochtene Ordnungen kalter Atome in einem optischen Dreiecksgitter

27. November 2023

Foto: UHH, AG Hemmerich

Links: Schematische Darstellung eines der drei möglichen symmetriebrechenden Grundzustände von p-orbitalen Bosonen in einem dreieckigen Gitter. Rechts: Experimentell beobachtete Impulsverteilungen der drei Quantenstreifenphasen, die mit den drei entarteten Grundzuständen verbunden sind. Die linke der drei Tafeln, hervorgehoben durch einen roten Rahmen, entspricht der schematischen Darstellung.

Die komplexen Eigenschaften von Materialien wie Hochtemperatursupraleitern und anderen stark korrelierten Systemen zu verstehen, ist seit langem eine Herausforderung für die Forschung. Mithilfe innovativer Quantensimulationstechniken, bei denen ultrakalte Atome in speziellen optischen Gittern mit orbitalen Freiheitsgraden eingesetzt werden, konnte ein internationales Forschungsteam jetzt die durch Wechselwirkung hervorgerufene spontane Brechung der Rotations- und Zeitumkehrsymmetrie in Verbindung mit der Bildung verflochtener Ordnungen beobachten.

Forschenden der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, der Chinese Academy of Sciences in Beijing, der Westlake University in Hangzhou und des Exzellenzclusters „CUI: Advanced Imaging of Matter" an der Universität Hamburg ist es gelungen, durch die Anordnung von Rubidium-Atomen im zweiten Bloch-Band eines optischen Dreiecksgitters einen unkonventionellen Materiezustand zu erzeugen, der eine bemerkenswert lange Kohärenzzeit aufweist. Dieser durch Wechselwirkung hervorgerufene Zustand bricht spontan die Rotationssymmetrie und die Zeitumkehrsymmetrie, ein Phänomen, das von der Theorie bereits vor fast zwei Jahrzehnten vorhergesagt wurde.

Hochpräzise Messungen und Analysen bestätigten jetzt die Bildung von Kondensaten bei endlichen Impulsen. Die beobachteten exotischen Streifen- und Schleifenstromordnungen findet man auch bei Hochtemperatursupraleitern und anderen stark korrelierten Quantenmaterialien.

Wie CUI-Forscher Prof. Andreas Hemmerich vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg erklärt, bestätigen diese Ergebnisse nicht nur eine langjährige theoretische Vorhersage, sondern eröffnen auch einen vereinfachten, schärferen Blick auf die Phänomene des durch Wechselwirkung induzierten spontanen Symmetriebrechens und der Bildung verflochtener Ordnungen, die durch die exquisite Präzision und Kontrolle eines Szenarios mit kalten Atomen ermöglicht werden.

Originalpublikation:

X.-Q. Wang, G.-Q. Luo, J.-Y. Liu, G.-H. Huang, Z.-X. Li, C. Wu, A. Hemmerich, and Z.-F. Xu

“Evidence for Quantum Stripe Ordering in a Triangular Optical Lattice”

Phys. Rev. Lett. 131, 226001 (2023)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.226001