Stark korrelierte Zustände in quantenoptischen Systemen

Das Ziel dieses Projektes ist es, eine Theorie neuer Phänomene in einem physikalischem Gebiet, welches zwei breitgefächerte und einer starker Entwicklung unterliegenden Fachrichtungen der modernen Physik, Quantenoptik und ultrakalte Quantengase, vereint, zu entwickeln. Für eine allumfassende theoretische Beschreibung müssen sowohl das Licht als auch die Materie quantenmechanisch betrachtet werden. Dieser Bereich der nicht vernachlässigbaren Quanteneffekte konnte erst vor kurzem experimentell erreicht werden. Darüber hinaus werden die theoretischen Modelle auch auf in der Quantennanophotonik auftretende Festkörpersysteme (Polaritonen in Mikro-Hohlräumen und Fasern) angewandt werden. Diese beiden Fachrichtungen, Quantenoptik und ultrakalte Gase, haben sich unabhängig voneinander gut entwickelt. Die klassische Optik betrachtet Licht als klassische elektromagnetische Welle. Die Quantenoptik, welche über die klassische, d.h. "mean-field", Näherung elektromagnetischer Wellen hinausgeht, beschreibt Licht als Quantenteilchen - Photonen. Heutige Standardverfahren wie das Kühlen und die Manipulation von Atomen mittels Laserfeldern begründeten die Atomoptik als neues Teilgebiet der Atomphysik. Es konnte gezeigt werden, dass die atomaren Materiewellen ähnlich den Lichtwellen der klassischen Optik beschrieben und mittels der Kräfte und Potentiale von Laserstrahlen manipuliert werden können. Die über die mean-field-Näherung hinausgehenden Quanteneigenschaften von Materiewellen wurden nach 1995 experimentell zugänglich, als die ersten Bose- Einstein-Kondensate (BEC) und viele andere faszinierende Quantenzustände bosonischer als auch fermionischer Atome realisiert wurden. Allerdings wird bis heute in der Mehrzahl der theoretischen Modelle und zum Teil sehr aufwendigen Experimenten der Quantenatomoptik Licht als im wesentlichen klassisches äußeres Werkzeug zur Bereitsstellung und Beobachtung faszinierender atomarer Zustände aufgefasst. Das grundlegende Ziel dieses Projektes ist es, durch Vereinigung der Gebiete die Lücke zwischen Quantenoptik und Quantenatomoptik zu schließen. In dem Projekt werden Phänomene betrachtet, in denen die Quantennatur sowohl des Lichtes als auch der atomaren Bewegung von gleicher Bedeutung sind. Die durchgehend quantenmechanische Beschreibung der Atom-Licht-Wechselwirkung wird durch die Verbindung von Quantenoptik und der Theorie von Quantengasen bewerkstelligt werden. Weltweit gibt es seit 2005 nur drei Experimente, welche quantenoptische Systeme mit ultrakalten Gasen zusammenfügten. Es ist deshalb wichtig, eine umfassende Theorie dieses aufstrebenden Zweiges der Quantenphysik zu erarbeiten. Das Projekt wird den interdisziplinären Austausch von Konzepten und Ideen fördern. Die Entwicklungen des letzen Jahrzehnts auf dem Gebiet der Quantgase war von Modellen der kondensierten Materie beeinflusst. Die Quantisierung des Lichtes, d.h. der Fallenpotentials, wird jedoch von den Standardmodellen nicht berücksichtigt. Daher müssen neue theoretische Modelle und Herangehensweisen im Rahmen dieses Projektes erarbeitet werden. Den Fokus der Forschung werden Gase ultrakalter Atome (sowohl bosonischer als auch fermionischer) darstellen, welche in periodischen Quantenpotentialen, die von den Moden eines Hohlraumresonators hoher Güte erzeugt werden, gefangen sind. Demonstriert werden die Modifizierung bekannter Vielteilchenphasen gefangener Atome als auch das hauptsächlich durch die Quanteneigenschaften und dynamische Natur des Fallenpotentials induzierte Auftreten neuer Phasen. Die Theorie von Quantenmessungen und -kontrolle stark korrelierter Systeme mittels optischer Methoden wird ebenfalls entwickelt werden. Die Festkörperphysikgruppe in Harvard ist in der Anwendung festkörperphysikalischer Methoden auf Systeme ultrakalter Atome weltweit führend. Mit ihrem Know-how werde ich imstande sein, die weltweit höchstentwickelten Methoden der Vielteilchenquantenphysik auf hier in Österreich untersuchte Systeme anzuwenden. Die Entwicklung dieser neuen Fachrichtung, welche theoretisch von uns in Österreich begründet wurde, sowie die Etablierung eines internationalen Forschungsnetzwerkes aus Theoretikern und Experimentatoren wird der österreichischen Forschung ermöglichen, ihre führende Rolle auf diesem Gebiet beizubehalten sowie im Zentrum international finanzierter Forschungsförderungsprojekte zu stehen. Die Verbindung von Quantenoptik und Quantengasen wird eine noch nie dagewesene Kontrolle von Licht und Materie ermöglichen. Dies wird in folgenden Gebieten Anwendungen finden: (I) Entwicklung neuer zerstörungsfreier Atomzustandsdetektoren mittels Lichtstreuung. (II) Quanteninformationsverarbeitung: Entwicklung neuer Protokolle unter Ausnützung verschränkter Vielteilchenzustände, die bei diesen Wechselwirkungen natürlich auftreten. (III) Quanteninterferometrie und Metrologie: Die verschränkten Zustände massiver Teilchen ermöglichen eine Annäherung an die theoretisch höchstmögliche Präzision von Messungen; dies kann in Gravitationswellendetektoren sowie in der Quantennanolithographie Verwendung finden. (IV) Die allgemeinen Methoden können aber auch in anderen Fachrichtungen, wie etwa in der Molekülphysik und bei Halbleiter- sowie Supraleitersystemen verwendet werden. Anwendungen nanohotonischer Systeme sind industrierelevanter: Quantenrauschenlimitierte Geräte zur klassischen Informationsverarbeitung.