Quantenkristalle aus Licht und Atomen

Die Wechselwirkung von Fluktuationen und nichtlinearer Dynamik spielt eine essentielle Rolle in hinreichend komplexen physikalischen Systemen. Dies führt oft auch zu so paradoxen Effekten wie durch stärkere Fluktuationen generierte kollektive spontane Selbstordnung. Ins besonders in der Quantenwelt ist das fundamentale Verständnis solcher Phänomene auch von zentraler technologischer Relevanz zur robusten Kontrolle von mesoskopischen Systemen. Die kürzlich experimentell eindrucksvoll bestätigte Vorhersage einer spontanen, durch kohärente Lichtstreuung erzeugten, kristallinen Ordnung von ultrakalten Atomen in einem optischen Resonator hoher Güte, ermöglicht nun eine wohldefinierte und sehr gut kontrollierbare Untersuchung dieser Phänomene. Die räumlich geordneten Strukturen entstehen hier aus der nichtlinearen selektiven Verstärkung von kleinen Dichte- und Energiefluktuationen des gekoppelten Teilchen-Licht Systems. Dabei spielen Dissipation und damit unweigerlich verbundene Quantenfluktuationen eine zentrale Rolle. Dieses Projekt zielt auf ein tieferes und breiteres Verständnis der diesem Selbstordnungsvorgang zugrundeliegenden physikalischen Phänomene. Ins besonders der Übergang von klassisch thermischen Rauschen zu Quantenfluktuationen als Auslöser des Ordnungsprozesses nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt, der sich hier auch experimentell untersuchen lässt, steht im Zentrum unserer geplanten Untersuchungen. Ein entsprechend gutes Verständnis dieser Phänomene bildet die Basis für ein besseres Verständnis von zukünftigen komplexeren und herausfordernden Anwendungen der Quantentechnologie wie zum Beispiel Quantensimulatoren, Quantensensoren und Quantenmessgeräten.

Der gezielte Einsatz von sehr stabilen Lasern ermöglicht es, verdünnte Gase aus bestimmten Atomsorten bis knapp an den absoluten Nullpunkt abzukühlen. In diesem Bereich tritt die quantenmechanische Wellennatur der Teilchen stark in den Vordergrund und bekannte Phänomene wie Interferenz oder Beugung lassen sich genau beobachten. Fängt man die Teilchen zwischen zwei sehr guten Spiegeln ein und bestrahlt sie von der Seite mit Laserwellen, könne sich spontan periodische Interferenzmuster von Atomen und Lichtwellen ausbilden, die in ihrer Struktur und physikalischen Eigenschaften sehr stark an Kristalle erinnern. Licht und Materiewellen bilden hier nahezu starre Gebilde deren Form und Struktur sich durch gezielte Auswahl der Atome und der eingestrahlten Laserlichtfelder in weitem Umfang kontrollieren lässt. Der Maßstab dieser Kristalle ist dabei etwa 1000-mal größer und die zeitliche Entwicklung deutlich langsamer als bei üblichen Festkörpern bei denen die Bindung über Elektronenwellen erfolgt. Diese Vergrößerung ermöglicht eine sehr viel detailliertere und kontrollierte Beobachtung. Ein wesentliches Ziel und Ergebnis dieses Projektes war ein tieferes Verständnis der Struktur, Eigenschaften und Eigenschwingungen dieser synthetischen Kristalle. Deren Auftreten und Bildung konnte experimentell genauer untersucht und mathematisch besser modelliert werden. Im Gegensatz zu üblichen Festkörpern spielt in diesen Kristallen die Wellennatur von Licht und Materie eine entscheidende Rolle und verleiht diesen spezielle Quanteneigenschaften. Ins besonders sollen damit komplexe Phänomene der Festkörperphysik wie Suprafluidität, Supraleitung oder spezielle Formen des Magnetismus in einer reduzierten und genau kontrollierbaren Umgebung nachgebildet werden um ein besseres und genaueres Verständnis dieser Effekte zu ermöglichen. Erste spektakuläre experimentelle Ergebnisse an der ETH dazu ermöglichten dann auch den Test und die Weiterentwicklung theoretisch mathematischer Modelle in Innsbruck und Saarbrücken. Ein präzises Verständnis der gekoppelten Atom- und Lichtwellendynamik sollte dann in naher Zukunft auch den Aufbau von sogenannten Quantensimulatoren ermöglichen, die, wie bereits von Feynman vorgeschlagen, mathematisch praktisch unlösbare Probleme so nachbilden können, so dass man deren Lösung durch genaue Beobachtung derselben ablesen kann. Potentielle Anwendung reichen von klassischen Optimierungsproblemen bis zur Vorhersage von Molekülstrukturen. Der theoretische Vorschlag zur Implementierung eines solchen Simulators und die mögliche Anwendung zur Lösung komplexer Optimierungsprobleme ist eines der zentralen theoretischen Resultate dieses Projekts.