Ultracold Atoms in Optical Lattices

Als „dritte Quantenrevolution“ bezeichnen die Autoren die Entwicklungen an der Schnittstelle zwischen Atom- und Molekülphysik, Quantenoptik sowie der Physik der kondensierten Materie, die mit der Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation in verdünnten Atomgasen Mitte der 1990er-Jahre einsetzten. Diese führten in der Tat zu qualitativ neuartigen Kontrollmöglichkeiten von Quantensystemen, die etwa die Realisierung von Quantensimulatoren für komplexe Quantenvielteilchensysteme vorantreiben, worüber dieses Buch handelt.

Ohne Zweifel gibt es herausragende Review-Artikel zu den Themen dieses Buches, auch von den Autoren selbst; aber hier haben diese unterschiedliche Aspekte ultrakalter Gase in ihrem Bezug zu aktuellen Problemen der Quantenvielteilchenphysik zusammengetragen und in einen einheitlichen Rahmen gesetzt. Den Schwerpunkt bildet dabei die Theorie ultrakalter Gase in optischen Gittern, zu der die Autoren wichtige Arbeiten geliefert haben, deren Resultate an verschiedenen Stellen in das Buch einfließen. Nach einer knappen historischen Einleitung folgt eine Einführung in Grundkonzepte der statistischen Physik und ultrakalter Gase in optischen Gittern. Sowohl die Idee eines Quantensimulators als auch fundamentale Modell­systeme, die es zu simulieren gilt, werden vorgestellt. Weitere Themen sind die Theorie bosonischer und fermionischer Hubbard-­Modelle, der BCS-BEC-Crossover, ultrakalte Spinorgase, dipolare Gase, und wie sich Unordnung in diesen Systemen auswirkt bzw. realisieren lässt. Aktuelle Entwicklungen zur Quantensimulation frustrierter Quantenmagnete kommen dabei ebenso zur Sprache wie die Erzeugung künstlicher Eichfelder, was zu Quanten-Hall-Effekten und Gitter­eichtheorien führt.

Die Autoren entwickeln die Physik dieser vielen Systeme oftmals zunächst anhand von Mean-Field-Rechnungen, stellen aber auch fortgeschrittene analytische und numerische Techniken vor und geben deren Resultate für die betrachteten Modelle an. Besonders gelungen erscheinen mir die Darstellungen der quanteninformationstheoretischen Aspekte von Quantenvielteilchensystemen und das Konzept eines Quantencomputers basierend auf ultrakalten Gittergasen. Ein eher kurzes Kapitel erläutert experimentelle Methoden, um ultrakalte Gase zu untersuchen; da dieses Forschungsfeld von experimentellen Fortschritten geprägt ist, wäre eine ausführlichere Darstellung dieser Techniken und deren Limitierungen wünschenswert gewesen.

Abschließend fassen die Autoren zwei Workshops am KITP in Santa Barbara von 2010 zusammen. Hinweise auf Online-Vorträge stellen einen originellen Anschluss an die aktuelle Forschung her. Das Buch ist hilfreich als Einstieg in dieses spannende Gebiet und bietet einen kompakten Überblick zu vielen wichtigen Ergebnissen bis etwa Anfang 2011. Es eignet sich auch für ein Graduiertenkolleg sowie als Ausgangspunkt zu neuen, faszinierenden Entwicklungen.

Prof. Dr. Stefan ­Wessel, Institut für Theoretische Festkörperphysik, RWTH Aachen