Emergente Phänomene mit an Cavity Felder gekoppelten Atomen

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. Dieses Projekt soll solche emergenten Phänomene in ultrakalten atomaren Gasen, gekoppelt an dynamische Cavity Felder theoretisch untersuchen. Der Fokus liegt dabei auf Phänomenen wie Selbstorganisation, synthetischen dynamischen Magnetfeldern, emergenten topologischen Zuständen und emergenten dynamischen Eichfeldern. 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) und Zustände mit topologisch nichttrivialen Eigenschaften (Materialien welche nur an Kanten oder Oberflächen leiten, im Inneren aber isolieren) zu den fundamentalsten Aspekten moderner Physik. Das vorliegende Projekt soll zunächst Selbstorganisation mehrkomponentiger, ultrakalter Quantengase in einem Ringresonator mit mehreren Moden studieren. Die internen atomaren Zustände und die Polarisationen der Resonatormoden bieten eine Vielzahl an Freiheitsgraden, Selbstorganisation in diesen Systemen ist damit ein gutes Modell für Kristallisation und Magnetisierung in realen Festkörpern. Diese Forschung wird signifikant zum Verständnis von kombinierten Atom-Resonator Systemen und ihrer Selbstorganisation beitragen, indem hier zum ersten Mal sowohl interne Atomzustände als auch die Polarisation des Resonatorfeldes gleichzeitig betrachtet werden. Weiters sollen durch einen linearen Resonator induzierte, künstliche dynamische Magnetfelder in zweidimensionalen Quantengasen untersucht werden. Dabei wird der emergenten Bandstruktur und topologischen Zuständen sowie deren Zusammenhang mit Selbstorganisation und künstlichen Magnetfeldern erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt. Darauf aufbauend sollen schlussendlich Aspekte der Quanten-Elektrodynamischen (QED) Feldtheorie mit Hilfe eines Cavity-QED Systems simuliert werden. Diese Untersuchungen liefern somit die Basis für eine neue Methode um dynamische Quantenfeldtheorien in ultrakalten Quantengasen mit Hilfe von Cavity-QED Systemen zu analysieren. Die vorgeschlagenen Systeme werden auf Basis einer vollen Quantenbeschreibung der Licht-Teilchen Wechselwirkung untersucht. Es werden dabei verschiedene analytische und numerische Techniken ausgearbeitet, darunter unter anderem Mean-Field Theorien, reale und imaginäre Zeitevolution, Minimierung der freien Energie, Landau Theorie von Phasenübergängen, etc.

"Emergente Phänomene mit an dynamische Cavity Felder gekoppelten Atomen" 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. Dieses Projekt hat solche emergenten Phänomene in ultrakalten atomaren Gasen, gekoppelt an dynamische Cavity Felder theoretisch untersucht. 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 Lise-Meitner Projekts 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 habe ich zusammen mit meinen Mitarbeitern 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.