Nichtgleichgewichtssysteme sind allgegenwärtig. Im Gegensatz zu Gleichgewichtszuständen ist unser Verständnis der Dynamik von Systemen im Nichtgleichgewicht noch sehr eingeschränkt, speziell was die Zeitskalen der Relaxation und die erreichbaren Endzustände betrifft.
Vielteilchen-Quantensysteme fern des Gleichgewicht sind von zentraler Bedeutung in vielen verschiedenen Bereichen der Physik. Sie treten bei sehr unterschiedlichen Energie und Längenskalen auf, sowohl in der Hochenergiephysik und der Kosmologie als auch in der Festkörperphysik und dem aufstrebenden Gebiet der Quantenbiologie. Außerdem ist de-Kohärenz und die Verbindung zwischen der klassischen Welt und der mikroskopischen Quantenbeschreibung ein fundamentaler Nicht-Gleichgewichtsprozess.
In diesem Projekt wollen wir grundlegende Eigenschaften der Nicht-Gleichgewichtsentwicklung und Relaxation in Vielteilchen-Quantensysteme durch Experimente im Labor untersuchen. Ultrakalte Atome bieten einzigartige Möglichkeiten für das Studium von Nichtgleichgewichtsproblemen und der damit verbundenen Quantendynamik. Eine große Zahl an Werkzeugen ermöglicht die Erzeugung von Anfangszuständen weit weg vom Gleichgewicht. Die darauf folgende kohärente Quantenevolution kann auf experimentell leicht zugänglichen Zeitskalen genau untersucht werden. Darüber hinaus ermöglicht die Einstellbarkeit der Atom-Atom Wechselwirkung, der Temperatur und der Dimensionalität die Realisierung einer Vielzahl von unterschiedlichen physikalischen Situationen und der damit verbundenen Quantenfeldtheorien.
Die Realisierung von spezifischen Modellsystemen erlaubt es Nicht-Gleichgewichts-Quantendynamik unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen zu untersuchen: Von schwach wechselwirkend zu stark korreliert, von schwach gestört zu quantenturbulent, von langsam verändernd zu Instabilitäten und exponentiellem Wachstum. Wir erwarten von solchen bewusst sehr diversen Experimenten einen tiefen Einblick in eine Reihe faszinierender Phänomene. Zum Beispiel: Pre-Thermalisierung und Emergenz von stationären Zuständen, (Quasi-) Teilchenerzeugung und Verstärkung von Anregungen oder die Ausbreitung von Verschränkung.
Eine zentrale Rolle in unseren Untersuchungen spielen isolierte Systeme, die Relaxation basiert dann ausschließlich auf interner Quanten-Dynamik. Damit können wir, zusätzlich zu den oben genannten allgemeinen Fragen, untersuchen ob und wie die klassische (makroskopische) Physik direkt aus der mikroskopischen Quantenevolution durch die Dynamik komplexer Vielteilchensysteme entsteht.
Das zentrale Ziel des Projektes ist es zu verstehen wie, und unter welchen Bedingungen sich ein Nichtgleichgewichts-Vielteilchen-Quantensystem zu einem (Quasi-) Gleichgewichtszustand entwickelt. Welche universellen Eigenschaften und Skalierungsgesetze bestimmen diese Entwicklung? Wir erwarten ein allgemeines Verständnis von Nicht-Gleichgewichts-Vielteilchen-Quantensystemen zu entwickeln, das für eine große Breite von Forschungsfeldern universell ist.
