Quantendynamik von stark gekoppelten Atomen und Photonen

Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit drei Modellsystemen zur Untersuchung der gekoppelten Quantendynamik von Atomen und Photonen, nämlich (a) Atome in einer stark gekoppelten Einzelmode eines optischen Resonators hoher Güte (Hohlraumelektrodynamik), (b) wechselwirkende Atome in einem externen optischen Gitter und (c) nichtlinear gekoppelte Photonen in einem optischen parametrischen Oszillator. (a) Der erste Teil behandelt die Bewegung und innere Dynamik von einzelnen Atomen oder Ionen in optischen Resonatoren, die aus Spiegeln sehr hoher Reflektivität aufgebaut sind. Solche Systeme lassen sich mit Hilfe von Ionenfallen, speziellen magneto-optischen Atomfallen oder mittels eines sogenannten atomaren Springbrunnens im Labor realisieren. Wir untersuchen in diesem Zusammenhang unter anderem die Möglichkeit damit einen mikroskopischen Laser zu betreiben oder diese Systeme als Quantenschalter für "makroskopische" Lichtfelder zu benutzen. Als wesentliche Erweiterung bestehender Modelle berücksichtigen wir hier die Schwerpunktsbewegung der Atome und den Einfluß der Lichtkräfte, was unter günstigen Bedingungen zu einem Abbremsen und Fangen der Atome führen kann. (b) Im zweiten Teil untersuchen wir die lichtinduzierte Wechselwirkung von verschiedenen Atomen in optischen Gittern unter Berücksichtigung der quantenstatistischen Eigenschaften der Atome. Substantielle Unterschiede zwischen dunklen und hellen Gittern einerseits sowie zwischen fermionischen und bosonischen Teilchen anderseits führen hier zu beobachtbaren Änderungen in den atomaren Besetzungsdichten und Spektren. (c) Der dritte Teil beschäftigt sich mit der nichtlinearen Kopplung von Licht (Photonen) in einem c (2) -Medium, das sich in einem optischen Resonator hoher Güte befindet. In einer quasiebenen oder quasikonzentrischen Geometrie treten dabei räumliche Instabilitäten auf die zu einer spontanen Bildung verschiedener optischer Muster führen. Auf der Quantenebene lassen sich solche Muster in speziellen, klassischen nicht erklärbaren, Korrelationen der Photonzählraten wiederfinden. Weiters soll in diesem Zusammenhang das Phänomen des stark erhöhten Quantenrauschens in instabilen Resonatorgeometrien untersucht werden, das z.B. zu einer deutlichen Erhöhung der Laserlinienbreite führt.