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Prof. Dr. Tobias Schätz

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Fakultät für Mathematik und Physik
Physikalisches Institut
Atom-, Molekül- und Optische Physik
Experimentelle Atom-, Molekül- und Optische Physik
Hermann-Herder-Straße 3, 79104 Freiburg

Telefon: +49(0) 761 / 203-5880
Telefax: +49(0) 761 / 203-5881
E-Mail: tobias.schaetz@physik.uni-freiburg.de
Webseite: http://www.frias.uni-freiburg.de/en/people/fellows/current-fellows/schaetz/#CV

Mitgliedschaft
Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS)

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Fachgebiet

Experimentelle Atom-, Molekül- und Optische Physik
Stichworte:
PAULA - Linear Quantum-Spin-Systeme,
KINKS - Simulieren Diskreter Solitonen,
BERMUDA - 2D-Quantensysteme in Oberflächenfallen,
TIAMO - Trapping Ions in Atoms and Molecules Optically

Beschreibung:
PAULA - Lineare Quantenspin-Systeme
Quantenmechanische Systeme skalieren exponentiell in ihrer Komplexität (Zahl der involvierten Spins), was eine effiziente Simulation mit klassischen Computern unmöglich macht. Einen visionären Ausweg wies Richard Feynman durch seinen Vorschlag hierfür einen Quantencomputer zu konstruieren. Obwohl ein Ansatz mit gespeicherten Ionen (in einer Paulfalle) als Qubit derzeit eine vielversprechende Verwirklichung darstellt, begleitet die Realisierung eines universellen Quantencomputers viele technische Herausforderungen, deren Abarbeitung noch Jahrzehnt(e) beanspruchen wird. Eine Abkürzung könnte durch die Realisierung eines auf ähnlichen, aber bereits zur Verfügung stehenden Technologien basierenden Quantensimulators aufgezeigt werden. Dabei ist die Laserkühlung von mehreren Ionen (in einen Coulomb-Kristall) in einer linearen Paulfalle, mit anschließender Kühlung in den Grundzustand der Bewegung, die Initialisierung der so zugänglichen Quantenzustände.

KINKS - Simulation von diskreten Solitonen
Unordnung scheint leicht generiert zu sein und dennoch strebt jedes System nach einem Zustand minimaler Energie. Bei einem Kristallisationsprozess ist es der Zustand einer "fehlerfreien" Kristallstruktur. Wenn der Phasenübergang aber zu schnell erfolgt, so dass kein Informationsaustausch mehr zwischen unterschiedlichen Subdomänen des Kristalls stattfinden kann, bilden sich Untereinheiten der optimalen Struktur. Jedoch passen die aneinander grenzenden Bereiche nicht zwangsläufig zusammen. Wir konnten zeigen, dass Coulomb Kristalle aus gespeicherten, lasergekühlten Ionen solch topologischen Defekte aufweisen und diese sogar in ihrem selbsterzeugten Speicherpotential oszillieren. Als Quasi-Teilchen betrachtet, gleicht ihre Beschreibung der von Solitonen. Wir schlagen vor experimentelle Techniken zu nutzen, die wir für Quanten-Simulationen entwickelt haben, um die Quanteneigenschaften dieser Defekte störungsfrei untersuchen und nutzen zu können.

TIAMO - Trapping Ions in Atoms and Molecules Optically
Wie laufen chemische Reaktionen bei niedrigsten Temperaturen ab? Aus klassischer Sicht werden die Reaktionspartner mit abnehmender Temperatur immer langsamer, bis jedwede Dynamik zum Erliegen kommt. Tatsächlich aber folgt die Chemie bei ultra-kalten Temperaturen, also im Regime, in dem Quanteneffekte dominieren, völlig andersartigen Regeln. Zum einen können Reaktionspartner nicht mehr als kollidierende Kugeln beschrieben werden, sondern vielmehr als Wellenpakete, die sich durch Interferenz überhöhen oder sogar aufheben können. Andererseits müssen Energiebarrieren nicht mehr niedriger sein als die kleinste zur Verfügung stehende kinetische Energie, sondern können effizient durchtunnelt werden.
Ein vielversprechendes System um solche Quanteneffekte zu untersuchen besteht aus lasergekühlten Atomen und Ionen. Bisher mussten diese jedoch in zwei prinzipiell unterschiedlichen Fallen räumlich überlagert werden. Dadurch treten fundamentale Heizprozesse zwischen den unterschiedlich gefangenen Teilchen auf, die bisher das Erreichen des Quantenregimes verhindert haben und auch künftig für nahezu alle Atom-Ionen Kombinationen unüberwindlich bleiben werden. Unser Ansatz ist die Realisierung einer gemeinsamen Dipolfalle sowohl für Atome als auch Ionen, bei welchem die erwähnten Heizeffekte umgangen werden, wodurch schießlich die Untersuchung ultra-kalter Kollisionen zwischen Atomen und Ionen ermöglicht werden soll.

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