Quantum critical behavior in strongly interacting Rydberg gases

We study the appearance of correlated many-body phenomena in an ensemble of atoms driven resonantly into a strongly interacting Rydberg state. The ground state of the Hamiltonian describing the driven system exhibits a second order quantum phase transition. We derive the critical theory for the quantum phase transition and show that it describes the properties of the driven Rydberg system in the saturated regime. We find that the suppression of Rydberg excitations known as blockade phenomena exhibits an algebraic scaling law with a universal exponent.Comment: 4 pages, 3 figures, published versio

Magnetic Properties of the low dimensional spin system (VO)2_2P2_2O7_{7}: ESR and susceptibility

Experimental results on magnetic resonance (ESR) and magnetic susceptibility are given for single crystalline (VO)$_2$P$_2$O$_{7}$. The crystal growth procedure is briefly discussed. The susceptibility is interpreted numerically using a model with alternating spin chains. We determine $J$=51 K and $\delta$=0.2. Furthermore we find a spin gap of $\approx 6$meV from our ESR measurements. Using elastic constants no indication of a phase transition forcing the dimerization is seen below 300 K.Comment: 7 pages, REVTEX, 7 figure

Evidence for coherent collective Rydberg excitation in the strong blockade regime

Blockade effects on the single quantum level are at the heart of quantum devices like single-electron transistors. The blockade mechanisms are based on strong interactions like the Coulomb interaction in case of single electrons. Neutral atoms excited into a Rydberg state experience abnormally strong interactions that lead to the corresponding blockade effect for Rydberg atoms. In this paper we report on our measurements of a strong van der Waals blockade, showing that only one out of several thousand atoms within a blockade volume can be excited. In addition, our experimental results demonstrate the coherent nature of the excitation of magnetically trapped ultracold atoms into a Rydberg state, confirming the predicted dependence of the collective Rabi frequency on the square root of the mesoscopic system size. This collective coherent behaviour is generic for all mesoscopic systems which are able to carry only one single excitation quantum.Comment: 5 pages, 4 figure

beta-Cu2V2O7: a spin-1/2 honeycomb lattice system

We report on band structure calculations and a microscopic model of the low-dimensional magnet beta-Cu2V2O7. Magnetic properties of this compound can be described by a spin-1/2 anisotropic honeycomb lattice model with the averaged coupling \bar J1=60-66 K. The low symmetry of the crystal structure leads to two inequivalent couplings J1 and J1', but this weak spatial anisotropy does not affect the essential physics of the honeycomb spin lattice. The structural realization of the honeycomb lattice is highly non-trivial: the leading interactions J1 and J1' run via double bridges of VO4 tetrahedra between spatially separated Cu atoms, while the interactions between structural nearest neighbors are negligible. The non-negligible inter-plane coupling Jperp~15 K gives rise to the long-range magnetic ordering at TN~26 K. Our model simulations improve the fit of the magnetic susceptibility data, compared to the previously assumed spin-chain models. Additionally, the simulated ordering temperature of 27 K is in remarkable agreement with the experiment. Our study evaluates beta-Cu2V2O7 as the best available experimental realization of the spin-1/2 Heisenberg model on the honeycomb lattice. We also provide an instructive comparison of different band structure codes and computational approaches to the evaluation of exchange couplings in magnetic insulators.Comment: 11 pages, 10 figures, 2 tables: revised version, extended description of simulation result

Strongly correlated growth of Rydberg aggregates in a vapor cell

The observation of strongly interacting many-body phenomena in atomic gases typically requires ultracold samples. Here we show that the strong interaction potentials between Rydberg atoms enable the observation of many-body effects in an atomic vapor, even at room temperature. We excite Rydberg atoms in cesium vapor and observe in real-time an out-of-equilibrium excitation dynamics that is consistent with an aggregation mechanism. The experimental observations show qualitative and quantitative agreement with a microscopic theoretical model. Numerical simulations reveal that the strongly correlated growth of the emerging aggregates is reminiscent of soft-matter type systems

Die Reaktion der Buchenwurzeln auf unterschiedlichen P-Status von Waldböden

Buchenwaldökosysteme sind auch auf schlecht mit Phosphor versorgten Standorten in der Lage sich ausreichend mit Phosphor zu versorgen. Im Rahmen des SPP 1685 wird die Hypothese untersucht, dass Ökosysteme auf Standorten mit guter P-Versorgung P hauptsächlich aus dem Mineralboden akquirieren, während auf schlechter mit P versorgten Standorten besonders effizientes P-Recycling stattfindet. Es ist anzunehmen, dass sich diese unterschiedlichen Ernährungsstrategien auch in unterschiedlichen spezifischen Wurzellängen, Durchwurzelungsintensitäten und P-Gehalten der Buchenwurzeln widerspiegeln. Wir testeten die Hypothese, dass sich auf Standorten mit geringeren P-Vorräten im Boden die spezifische Feinwurzellänge erhöht, da dies eine effizientere Erschließung des Feinbodens ermöglicht. Wir erwarten außerdem, dass die P-Gehalte der Wurzeln sensitiver auf den P-Gehalt des Bodens reagieren als die Blattspiegelwerte. Fünf silikatische Buchenwaldstandorte mit unterschiedlichen Vorräten an mineralischem Phosphor wurden mittels „Quantitative soil pit“-Methode bis in 1 m Tiefe beprobt. Diese Methode ermöglicht zum einen die genaue Ermittlung der Lagerungsdichten und zum anderen eine repräsentative Entnahme von Wurzelproben aus unterschiedlichen Bodentiefen. Im Labor wurde die Wurzelbiomasse, der P-Gehalt der Wurzeln, sowie die Länge der Wurzeln mittels statischer Bildanalyse bestimmt. Die Hypothese zur spezifischen Wurzellänge konnte nicht bestätigt werden. Auf dem P-armen Standort ist die spezifische Wurzellänge sogar etwas geringer als auf dem phosphorreichen Standort. Deutliche Unterschiede zwischen den Standorten zeigten sich in der Tiefenverteilung der Feinwurzelbiomasse und der Durchwurzelungsintensität. Der P-arme Standort weist insgesamt deutlich mehr Feinwurzelbiomasse als der P-reiche Standort auf. Interessant ist hierbei, dass sich die Feinwurzeln vor allem auf Humusauflage und Oberboden konzentrieren und dort eine hohe Durchwurzelungsintensität herbeiführen. Dies sollte dazu beitragen, dass die Buchen mineralisiertes P effizient nutzen und wenig durch Auswaschung oder Fixierung im Mineralboden verloren geht. Insgesamt bestätigen unsere Analysen, dass die Wurzeln sensitiver auf den P-Status der Standorte reagieren als die Blätter und Wurzeleigenschaften somit als Indikatoren von Ernährungsstrategien von Buchenwaldökosystemen verwendet werden könnten

A saposin-lipoprotein nanoparticle system for membrane proteins.

A limiting factor in membrane protein research is the ability to solubilize and stabilize such proteins. Detergents are used most often for solubilizing membrane proteins, but they are associated with protein instability and poor compatibility with structural and biophysical studies. Here we present a saposin-lipoprotein nanoparticle system, Salipro, which allows for the reconstitution of membrane proteins in a lipid environment that is stabilized by a scaffold of saposin proteins. We demonstrate the applicability of the method on two purified membrane protein complexes as well as by the direct solubilization and nanoparticle incorporation of a viral membrane protein complex from the virus membrane. Our approach facilitated high-resolution structural studies of the bacterial peptide transporter PeptTSo2 by single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) and allowed us to stabilize the HIV envelope glycoprotein in a functional state