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In a recent Letter [T. Dornheim \textit{et al.}, Phys. Rev. Lett. \textbf{121}, 255001 (2018)], it was predicted on the basis of \textit{ab initio} quantum Monte Carlo simulations that, in a uniform electron gas, the peak $\omega_0$ of the dynamic structure factor $S(q,\omega)$ exhibits an unusual non-monotonic wave number dependence, where $d\omega_0/dq < 0$, at intermediate $q$, under strong coupling conditions. This effect was subsequently explained by the pair alignment of electrons [T. Dornheim \textit{et al.}, Comm. Phys. \textbf{5}, 304 (2022)]. Here we predict that this non-monotonic dispersion resembling the roton-type behavior known from superfluids should be observable in a dense, partially ionized hydrogen plasma. Based on a combination of path integral Monte Carlo simulations and linear response results for the density response function, we present the approximate range of densities, temperatures and wave numbers and make predictions for possible experimental observations.

Die gegenwärtige Ära ultrakalter Quantengasexperimente ermöglicht es Experimentatoren eine Vielzahl neuer physikalischer Phänomene zu untersuchen. Diese reichen von Hubbard-Modellen über stark korrelierte Quantenmaterie bis hin zu flüssigkeitsähnlichen gasförmigen Quantentröpfchen. Im Zentrum all dieser Experimente steht die präzise Kontrolle von Systemparametern und der Wechselwirkung zwischen den verwendeten Atomen. Bisher arbeiteten die meisten Experimente mit kontaktwechselwirkenden Atomen, und erst kürzlich konnten die magnetischen Atome Chrom, Dysprosium und Erbium zur Quantenentartung gebracht werden. Die magnetische Wechselwirkung zwischen diesen Atomen führt zu zahlreichen neuen physikalischen Phänomenen und Effekten. Ein Paradebeispiel ist die Bildung eines Roton-minimums im Anregungsspektrum eines dipolaren Bose-Einstein-Kondensats (BEC), ähnlich dem in superfluidem Helium. Weitere wichtige Merkmale ergeben sich aus der Tatsache, dass dipolare Wechselwirkungen verwendet werden können, um Kontaktwechselwirkungen in einem BEC aufzuheben. Dies ergibt kleine Wechselwirkungsenergien auf der Ebene von Meanfield-theorien im System, wo Effekte höherer Ordnung aufgrund von Quantenfluktuationen wichtig werden. Die Arbeit in der vorliegenden Dissertation wird mit bosonischem Erbium durchgeführt, einem Element mit einer der höchsten magnetischen Wechselwirkungen unter aktuellen Atomquantengasexperimenten. Das Ziel unserer Studien liegt darin, dipolare Quantengase in einem Regime zu untersuchen, in dem sich dipolare und Kontaktwechselwirkungen aufheben und das System einem Kollapse in der Meanfield-theorie nahe kommt. Unsere Experimente konzentrieren sich auf zwei Regime: (i) Im ersten wird ein globaler Kollaps des BECs aus der Standard-Meanfield-theorie erwartet, während (ii) im zweiten Regime erwartet wird, dass der BEC unter einer Modulationsinstabilität kollabiert. Ausgehend vom ersteren Fall zeigten unsere Experimente einen Crossover-Übergang von einem BEC zu ein, The current era of dilute, ultracold quantum gas experiments, allows experimentalists to study a vast number of new physical topics, ranging from Hubbard-models to strongly correlated quantum matter to liquid-like, gaseous droplets. At the heart of all these experiments lies the exquisite control over system parameters and over the interactions between atomic constituents. So far, the majority of experiments worked with contact-interacting atoms, and only recently the magnetic atoms chromium, dysprosium, and erbium could be brought to quantum degeneracy. The magnetic interaction between these atoms gives rise to numerous new physical phenomena and effects. One prime example is the formation of a roton minimum in the excitation spectrum of a dipolar Bose-Einstein condensate (BEC), similar to the one observed in superfluid helium. Other important features arise from the fact that dipolar interactions can be used to carefully cancel contact interactions in a BEC. This yields small interaction energies at the mean-field level in the system, where higher order effects from quantum fluctuations become important. The work in the present thesis is carried out with bosonic erbium, an element with one of the highest magnetic interactions among current atomic quantum gas experiments. The aim of our studies lies in further understanding dipolar quantum gases in a regime, where dipolar and contact interactions cancel and the system is close to a mean-field instability. Our experiments focus on two regimes: (i) in the first one, a global collapse of the BEC is expected from standard mean-field theory, whereas (ii) in the second one, the BEC is expected to collapse under a modulational instability. Starting with the former case, instead of globally collapsing, our experiments showed a smooth crossover from a BEC to a highly dense macrodroplet state. A careful comparison of the excitation frequency of a low-lying collective mode with an extended mean-field theory – including a Lee, by Daniel Petter, MSc., Kumulative Dissertation aus acht Artikelln, Dissertation University of Innsbruck 2020

Die gegenwärtige Ära ultrakalter Quantengasexperimente ermöglicht es Experimentatoren eine Vielzahl neuer physikalischer Phänomene zu untersuchen. Diese reichen von Hubbard-Modellen über stark korrelierte Quantenmaterie bis hin zu flüssigkeitsähnlichen gasförmigen Quantentröpfchen. Im Zentrum all dieser Experimente steht die präzise Kontrolle von Systemparametern und der Wechselwirkung zwischen den verwendeten Atomen. Bisher arbeiteten die meisten Experimente mit kontaktwechselwirkenden Atomen, und erst kürzlich konnten die magnetischen Atome Chrom, Dysprosium und Erbium zur Quantenentartung gebracht werden. Die magnetische Wechselwirkung zwischen diesen Atomen führt zu zahlreichen neuen physikalischen Phänomenen und Effekten. Ein Paradebeispiel ist die Bildung eines Roton-minimums im Anregungsspektrum eines dipolaren Bose-Einstein-Kondensats (BEC), ähnlich dem in superfluidem Helium. Weitere wichtige Merkmale ergeben sich aus der Tatsache, dass dipolare Wechselwirkungen verwendet werden können, um Kontaktwechselwirkungen in einem BEC aufzuheben. Dies ergibt kleine Wechselwirkungsenergien auf der Ebene von Meanfield-theorien im System, wo Effekte höherer Ordnung aufgrund von Quantenfluktuationen wichtig werden. Die Arbeit in der vorliegenden Dissertation wird mit bosonischem Erbium durchgeführt, einem Element mit einer der höchsten magnetischen Wechselwirkungen unter aktuellen Atomquantengasexperimenten. Das Ziel unserer Studien liegt darin, dipolare Quantengase in einem Regime zu untersuchen, in dem sich dipolare und Kontaktwechselwirkungen aufheben und das System einem Kollapse in der Meanfield-theorie nahe kommt. Unsere Experimente konzentrieren sich auf zwei Regime: (i) Im ersten wird ein globaler Kollaps des BECs aus der Standard-Meanfield-theorie erwartet, während (ii) im zweiten Regime erwartet wird, dass der BEC unter einer Modulationsinstabilität kollabiert. Ausgehend vom ersteren Fall zeigten unsere Experimente einen Crossover-Übergang von einem BEC zu ein, The current era of dilute, ultracold quantum gas experiments, allows experimentalists to study a vast number of new physical topics, ranging from Hubbard-models to strongly correlated quantum matter to liquid-like, gaseous droplets. At the heart of all these experiments lies the exquisite control over system parameters and over the interactions between atomic constituents. So far, the majority of experiments worked with contact-interacting atoms, and only recently the magnetic atoms chromium, dysprosium, and erbium could be brought to quantum degeneracy. The magnetic interaction between these atoms gives rise to numerous new physical phenomena and effects. One prime example is the formation of a roton minimum in the excitation spectrum of a dipolar Bose-Einstein condensate (BEC), similar to the one observed in superfluid helium. Other important features arise from the fact that dipolar interactions can be used to carefully cancel contact interactions in a BEC. This yields small interaction energies at the mean-field level in the system, where higher order effects from quantum fluctuations become important. The work in the present thesis is carried out with bosonic erbium, an element with one of the highest magnetic interactions among current atomic quantum gas experiments. The aim of our studies lies in further understanding dipolar quantum gases in a regime, where dipolar and contact interactions cancel and the system is close to a mean-field instability. Our experiments focus on two regimes: (i) in the first one, a global collapse of the BEC is expected from standard mean-field theory, whereas (ii) in the second one, the BEC is expected to collapse under a modulational instability. Starting with the former case, instead of globally collapsing, our experiments showed a smooth crossover from a BEC to a highly dense macrodroplet state. A careful comparison of the excitation frequency of a low-lying collective mode with an extended mean-field theory – including a Lee, by Daniel Petter, MSc., Kumulative Dissertation aus acht Artikelln, Dissertation University of Innsbruck 2020