Heute startet am Institut für Theoretische Physik die Online Summer School „Topologie und Wechselwirkungen in Optischen Gittern – Topology and Interactions in Optical Lattices“, die von der DFG-Forschungsgruppe FOR 2414 unter der Leitung des Sprechers Prof. Dr. Walter Hofstetter ausgerichtet wird. Mehr als 140 Teilnehmer aus der ganzen Welt haben sich zur Summer School angemeldet, um Vorträge hochrangiger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Belgien, Deutschland, Frankreich, der Schweiz und Spanien beispielsweise zu topologischen Isolatoren, synthetischer topologischer Quantenmaterie oder der Simulation stark korrelierter Systeme anzuhören und darüber zu diskutieren (summerschool.for2414.de).

Im Rahmen der DFG-Forschungsgruppe „Artificial Gauge Fields and Interacting Topological Phases in Ultracold Atoms“ (www.for2414.de) wird durch die enge Kooperation zwischen führenden experimentellen und theoretischen Arbeitsgruppen aus Deutschland und Europa das Verständnis über topologische Materiezustände erweitert, um damit beispielsweise zukünftige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung zu ermöglichen. Moderne Quanteninformationstechnologien und die zugehörige Grundlagenforschung (wie beispielsweise in FOR 2414) sind auch von wachsender wirtschaftlicher und strategischer Bedeutung. Dies wird nicht zuletzt durch die Quantum Flagship Initiative der Europäischen Kommission und die US National Quantum Initiative dokumentiert.

Topologie hat sich als wichtiges Konzept zur Beschreibung von Quantenmaterie etabliert, welches zu einer Vielfalt neuer Materiezustände und Phasenübergänge führt. Theoretische Pionierarbeiten hierzu wurden 2016 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Topologische Phänomene wie der Quanten-Hall-Effekt (Nobelpreis 1985) führen zu extrem präziser Quantisierung physikalischer Größen, beispielsweise des elektrischen Widerstands, und versprechen bahnbrechende Anwendungen, von der Metrologie bis zum Quantencomputer.

Das Zusammenspiel von Topologie und starken Wechselwirkungen ist eine der spannendsten Fragestellungen der Physik der kondensierten Materie. Die hierfür notwendigen Eichfelder und Wechselwirkungen können in Festkörpermaterialien meist nicht unabhängig variiert werden. Im Gegensatz dazu bieten Quantensimulatoren, die auf eine visionäre Idee des Nobelpreisträgers Richard Feynman zurückgehen und heute auch von Experimentatoren der FOR 2414 realisiert werden, genau diese Möglichkeit.

Optisches Gitter (blau), befüllt mit einem ultrakalten Quantengas (rot, grün): Topologische Isolatoren sind ein Thema der Summer School (Bild: Bernhard Irsigler). Mehr dazu.

Eichfelder sind grundlegend für unser modernes Verständnis der Physik. Von der Hochenergiephysik bis zur Festkörperphysik bilden sie ein zentrales Hilfsmittel, um fundamentale physikalische Phänomene zu beschreiben.

Ultrakalte Atome in optischen Gittern bieten eine vielseitige experimentelle Plattform, in der starke künstliche Eichfelder und topologische Bandstrukturen mit durchstimmbaren Wechselwirkungen kombiniert werden können. Der Begriff „ultrakalt“ steht hier für Temperaturen im Bereich von einem Millionstel Kelvin und weniger – dies sind die kältesten Temperaturen im Universum. Sie werden mittels Kühlung durch Licht erreicht, durch sogenannte Laserkühlung, für deren Entwicklung 1997 der Nobelpreis für Physik vergeben wurde. Bei diesen tiefen Temperaturen dominieren Effekte der Quantenmechanik, insbesondere die bosonische oder fermionische Quantenstatistik der Teilchen. Für die Bose-Einstein-Kondensation ultrakalter Atome wurde 2001 der Nobelpreis für Physik vergeben.

Künstliche Eichfelder werden durch geeignete Laserkopplung erzeugt. Die hierdurch realisierten Quantensysteme können die Bewegung von Elektronen in extrem starken Magnetfeldern, aber auch die Dynamik von Elementarteilchen in nicht-Abelschen Eichfeldern nachbilden.

Weitere Informationen:
Professor Walter Hofstetter
Institut für Theoretische Physik
Goethe-Universität
Tel.: (+49)-69-798-47819
hofstett@physik.uni-frankfurt.de