Selbstordnung von Spinor BECs in optischen Resonatoren

Die gezielte Anwendung von Laserlicht erlaubt es, atomare Gase nahezu bis zum absoluten Nullpunkt abzukühlen sodass sie eine kollektive kohärente Materiewelle bilden. Schließt man diese in einen optischen optischen Resonator hoher Güte ein erzeugt, wie kürzlich experimentell eindrucksvoll bestätigt, die Wechselwirkung mit Lichtwellen ein Gittermuster aus Licht und Materiewellen mit kristalliner Ordnung. Das vorliegende Projekt zielt auf die theoretische und experimentelle Untersuchung dieses Quantenphänomens auf den Fall von Atomen mit Spin, d.h. einem inneren magnetischen Moment, ab. Aufgrund dieses zusätzlichen Freiheitsgrades können sich neben einer Dichtewelle auch viel komplexere Phasen mit verschiedensten magnetischen Ordnungsmustern der Atome mit ausbilden. Anregungen besitzen damit analog zur Polarisation des Lichts einen vektoriellen Charakter. 1) Im vorliegenden Projekt EOSBECMR sollen die, durch den optischen Resonator verstärkten, langreichweitigen Lichtwechselwirkungen gezielt genutzt werden um selbstgeordnete Quantenphasen mit gänzlich neuen magnetischen Eigenschaften zu präparieren und zu untersuchen. 2) Mit Hilfe der speziellen hier implementierten gefalteten Ringresonator-Geometrie können auch mehrere Bose-Einstein Kondensate in derselben Lichtmode gefangen werden, sodass sich neue Phänomene einer makroskopischen Verschränkung mehrerer Kondensate als Prototyp eines Quantennetzwerks realisieren lassen. 3) Im theoretischen Teil wird dazu noch untersucht, wie sich analytisch kaum lösbare Modelle für dynamische Eichfelder mit Hilfe von kalten magnetischen Quantengasen simulieren lassen, wobei die Resonatorlichtfelder die Rolle der dynamischen Eichfelder übernehmen können. Das Projekt ist ein internationales Kollaborationsprojekt der experimentellen Quantengasgruppe am LP2N der Universität Bordeaux (A. Bertoldi, D. Naik und P. Bouyer) mit der theoretischen Forschungsgruppe zur Hohlraumquantenelektrodynamik an der Universität Innsbruck (F. Mivehvar, H. Ritsch, S. Ostermann).

Der experimentelle Durchbruch des Erreichens des Quantenlimits in atomaren Gasen markiert den Beginn einer neuen Ära der präzisen und kontrollierten Tests fundamentaler Modelle der Quantenphysik. Ultrakalte atomare Gase bieten eine vielseitige Basis um neue Einzel- und Vielteilchenphänomene zu untersuchen. Diese Gase können auch in optische Resonatoren hoher Güte geladen werden, um mit dem dynamischen Feld dieses Resonators wechselzuwirken. In diesem Fall ist die Atom-Photon Wechselwirkung so stark, dass die Rückwirkung der Atome auf das Strahlungsfeld nicht mehr vernachlässigbar ist. Dies führt zu exotischen, kombinierten Materie-Licht Zuständen und korrelierten Phänomenen welche kein Analogon in anderen Systemen haben. Auf der theoretischen Seite untersuchte dieses Projekt emergente Phänomene in Quantengasen, die stark an dynamische Hohlraumfelder gekoppelt sind. Der Fokus hat dabei auf Phänomenen wie Selbstorganisation, synthetischen dynamischen Magnetfeldern, emergenten dynamischen Eichfeldern, Magnetismus und Suprasolidität gelegen. Selbstorganisation - also der spontane Aufbau einer Ordnung aus einem ungeordneten Gas unter kritischen Bedingungen an Dichte, Temperatur und Wechselwirkungsstärke - ist nicht nur in der Physik ein weit verbreitetes Phänomen. Auch in der Chemie, Biologie und anderen Feldern werden ähnliche Effekte beobachtet. Zudem gehören Eichfelder (wie auch z.B. elektromagnetische Potentiale), Magnetismus und Suprasolidität (kristalline Zustände, die wie ein Superfluid ohne Reibung fließen können) zu den fundamentalsten Aspekten moderner Physik. Die im Rahmen dieses "International Join Project" durchgeführten Arbeiten haben neue Forschungsrichtungen im Themenbereich 'many-body-cavity-QED' eröffnet und sowohl in der Theorie- als auch in der Experimental-Community viel Aufmerksamkeit erregt. Insbesondere haben wir zum ersten Mal den Begriff der kombinierten Dichte- und Spin-Selbstordnung in Quantengasen mit mehreren Komponenten (d.h. beweglichen ultrakalten Atomen mit zusätzlichen internen Freiheitsgraden) betrachtet. Dies erlaubt die Realisierung von Cavity mediierten Quantenspinmodellen und emergenten magnetischen Ordnungen. Andere wichtige Forschungsarbeiten im Rahmen dieses Projekts umfassen Vorschläge für dichteabhängige, dynamische Eichpotentiale sowie suprasolide Phasen in getriebenen-dissipativen Systemen und emergente quasikristalline Symmetrien in Cavity-QED-Konfigurationen. Im letztgenannten Fall wurde erstmals ein interessanter Aspekt der Selbstordnung vorgestellt, bei dem der superradiante Übergang zu einem "quasikristallinen" Zustand mit einer emergenten Symmetrie führt (ein YouTube-Video über dieser Forschungsarbeit wurde vom Büro für Öffentlichkeitsarbeit der Universität Innsbruck erstellt: https://www.youtube.com/watch?v=Wu35yDBC3pQ). Dies steht im Gegensatz zu allen bisher bekannten Beispielen der superradianten Selbstordnung von Atomen in Resonatoren wo kristalline Phasen mit gebrochenen Symmetrien realisiert werden können. Das System eröffnet somit eine neue Möglichkeit zur Realisierung exotischer Materiezustände. Desweiteren hat unser Vorschlag für ein Gravimeter auf Basis einer suprasoliden Phase das Potenzial von Cavity-QED Konfigurationen für Quanten-Präzisionsmetrologie hervorgehoben und bietet somit eine neue Perspektive für praktische Cavity-QED Anwendungen.