Quantum Optics and Quantum Informatics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Starting date
2012-09-01
Closing date
2015-08-31
Funding (in million HUF)
18.291
FTE (full time equivalent)
2.40
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A tervezett kutatás célja erősen korrelált rendszerek tulajdonságainak vizsgálata. Munkánk olyan modellek vizsgálatára irányul, melyek az atomfizikában jelenleg használt kísérleti technikával megvalósíthatóak, és intenzív érdeklődés tárgyát képező szilárdtestfizikai és/vagy részecskefizikai rendszerek, jelenségek leírását szolgálják. Az eredmények az erősen korrelált rendszerekben fellépő kvantumfázisátalakulásokkal (szimmetriasértő, topológiai, egyensúlyi és nemegyensúlyi) kapcsolatos ismereteink elmélyítésére és az atomfizikai megvalósítás során fellépő új jelenségek magyarázatára szolgálnak.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás alapkérdése az erősen korrelált fázisok megvalósításának módja optikai csapdában lévő ultrahideg atomok segítségével. További lényeges kérdések: Milyen új jelenségek léphetnek föl ezekben a kísérletekben? Milyen technológiai újítást eredményezhet az erősen korrelált rendszerek atomfizikai megvalósítása?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A várt eredmények további kísérleti és elméleti kutatások alapját képezhetik. Spinfolyadék fázisok megvalósítása optikai rácson számos igen érdekes kvantumfázisátalakulás és erősen korrelált fázis kísérleti tanulmányozása előtt nyitjhatja meg az utat. Ilyenek lehetnek például a magas átmeneti hőmérsékletű szupravezetők magyarázatát célzó modellek, vagy a nagy energiás fizikában fellépő bizonyos mértékelméletek. Az AKLT modell megvalósítása ultrahideg atomokkal a mérés alapú kvantumszámítások alpajául szolgálhat.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Ezen pályázat során az igen alacsony hőmérsékletű és erősen kölcsönható anyag fázisait vizsgáljuk. Ezek a rendszerek nagyon változatos, néha kifejezetten hasznos jelenségeket mutatnak és igen gyakran különösen nehéz megérteni a viselkedésüket. Példa ilyen rendszerekre a magas átmeneti hőmérsékletű szupravezetők, a tört értékű kvantum Hall-effektus, vagy a neutron csillagok állapotát leíró “tökéletes folyadék” stb. A kutatásaink elsősorban arra igyekeznek választ adni, hogy ezen rendszerek viselkedését hogy tudjuk leutánozni, vagy más szóval szimulálni modern optikai laboratóriumokban a természetben fellépő körülmények mesterséges leutánozásával. Az ilyen jellegű kvantumszimuláció segít az erősen korrelált fázisok mélyebb megértésében és a kvantummechanikán és erős korrelációkon alapuló technológia kifejlesztésében. Ez utóbbira egy távlati példa a régóta óhajtott kvantumszámítógép lehet.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The aim of the planned investigations is the study of properties of strongly correlated phases of matter. Our work focuses on models, which can be implemented with current experimental technologies in atomic physics, and are in the focus of intense interest in condensed matter and/or high energy physics. The results deepen our understanding of the various quantum phase transitions (symmetry breaking, topological, equilibrium and nonequlibrium) and interpret new phenomena appearing in the experimental realization with ultracold atoms.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main question is how to realize the various phases of strongly correlated matter with the help of optically trapped ultracold atom experiments? What kind of new phenomena can be accessed in these experiments? What kind of technological improvement can we obtain by realizing strongly correlated phases with ultracold atoms?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The anticipated results can form the basis of further investigations, both experimentally and theoretically. The realization of spin liquid phases on the optical lattice opens up possibil- ities to study quantum phase transitions and strongly correlated phases similar to those encountered in high temperature superconductors, and as gauge theories they can be also helpful to study some models of high-energy physics on an optical table. It is worth emphasizing that the realization of the AKLT model with ultracold atoms can be the basis of measurment based quantum computation.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. In this project we aim to study extremely low temperature and strongly interacting phases of matter that provide us very rich, very useful and sometimes extremely difficult to understand phenomena. Examples are for instance the mechanism of high temperature superconductivity, the fractional quantum Hall effect, or the “perfect fluid” state of neutron stars, etc. Specifically we investigate the possibilities to mimic, or so to say “simulate” the behavior of these systems within modern optics laboratories by engineering the conditions to be very similar to those arising in nature. This kind of quantum simulation deepens our understanding on the strongly correlated phases of matter and helps us bringing closer technologies relying on quantum mechanics and strong correlations, such as the highly anticipated quantum computer.
Final report
Results in Hungarian
A kutatás során erősen korrelált állapotok megvalósításának lehetőségét vizsgáltuk atomfizikai rendszerek, ezen belül alkáli- és alkáliföldfém atomok alkotta híg, alacsony hőmérsékletű gázok segítségével.
Lézerek által létrehozott optikai rácson is könnyen elérhető a Mott-szigetelő állapot, ahol a gáz töltésdinamikája befagy és csak spindinamika marad. A kutatások egyik fontos kérdése volt, hogy milyen mágneses állapotok valósíthatók meg ezen rendszerek segítségével. Különböző atomfajtákat és rácsgeometriákat vizsgálva szimmetriasértő és folyadékszerű állapotokat találtunk. A spinfolyadék állapotok a méréselvű kvantumszámítás eszközei lehetnek, ezért megvalósításuk lehetősége későbbi kutatások alapjául szolgálhat.
Vizsgáltuk Bose-Einstein kondenzátum kölcsönhatását egymódusú optikai rezonátor terével. A fő motiváció itt olyan erősen kölcsönható rendszer vizsgálata, ahol a kölcsönhatás végtelen hatótávolságú. Vizsgáltuk az atom-atom ütközések és a harmonikus bezáró potenciál hatását és megmutattuk, hogy az optomechanikai (egy atomi módusra korlátozó) leírás érvényben marad. A rendszer elemi gerjesztései közül a rezonátor kiválaszt egyet. Ennek a gerjesztésnek a frekvenciája és csillapodása tág határok között hangolható. Vizsgáltuk még a rezonátor terének hatását bozonikus Josephson-átmenetekben. Megmutattuk, hogy a fotontér egy új eszköz az átmenet alagutazási amplitúdójának hangolására, amivel erősen korrelált állapotok gyengébb kölcsönhatás esetén is létrehozhatók.
Results in English
We studied the possibilities of realizing strongly correlated states with the help of systems in atomic physics, in particular with the help of dilute and ultracold gases of alkali or alkaline-earth-metal atoms.
The Mott insulator phase with ultracold atoms is realized on optical lattices created with laser beams. Here, the charge dynamics freezes and only spin dynamics remains. One of the main tasks was to identify what kind of magnetic states can be realized with the help of these systems. We studied different atomic species and lattice geometries and found both symmetry breaking and liquid like phases. Spin liquid phases can serve as basis states for measurement based quantum computing.
We studied the interaction of a Bose-Einstein condensate with the field of a single mode optical resonator. Here, the main motivation was to realize strongly interacting states with infinite range interaction. We studied the effects of s-wave scattering and the harmonic confinement potential and found that the optomechanical description remains valid. The resonator selects one of the excitations of the superfluid. Both the energy and damping of the selected excitation can be tuned in a wide range. We also studied the effects of the resonator field on bosonic Josephson junctions. We showed, that the electromagnetic field acts as a new knob to tune the tunneling rate of the junction. With its help strongly correlated states can be created with weaker interactions.
