Selbstorganisation, Superradianz und Kühlen in Resonatoren

Die Kräfte, die Laserlicht auf Atome ausübt, werden stark verändert, wenn Licht und Atome in einem optischen Resonator eingeschlossen sind. Die Rückwirkung der Teilchen auf das Lichtfeld führt zu einer stark verkoppelten Dynamik. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Manipulation der Teilchen, die von verbesserter Laserkühlung bis zur Implementierung von Quantengattern reichen. Die Wahl einer geeigneten Geometrie erlaubt zudem die Realisierung von maßgeschneiderten langreichweitigen Wechselwirkungen. Zentrale Vorhersagen aus dieser Dynamik, wie Laserkühlen ohne spontane Emission, kollektive Atomsschwingungen oder ein Laser auf Basis eines im Lichtfeld gefangenen Atoms wurden kürzlich experimentell bestätigt. Numerische Simulationen der Bewegung von mit Laserlicht beleuchteten Atomen in einem Resonator sagen eine Selbstorganisation in ein regelmäßiges Gitter begleitet von superradianter Lichtstreuung in die Resonatormode voraus. Dieses Phänomen tritt ab einem bestimmten Schwellwert der Atomzahl und Pumpstärke auf und könnte die Basis für noch effizienteres und auf neue Teilchensorten anwendbares Laserkühlen bilden. Zentrales Ziel dieses theoretischen Forschungsprojekts ist die genauere Untersuchung von Lichtkräften zwischen Teilchen, die durch die gemeinsame Kopplung an Lichtmoden in einem optischen Resonator hoher Güte enstehen. Im Speziellen soll der physikalische Mechanismus, der der Selbstorganisation zugrunde liegt, genauer untersucht werden. Wie startet die Selbstorganisation, wann ist sie stabil und wie sieht der Gleichgewichtszustand aus ? Welche Kräfte und Temperaturen lassen sich damit erzielen ? Welche Teilchen lassen sich damit abbremsen und kühlen ? Einerseits soll hier besonders die Möglichkeit zum Kühlen von Molekülen untersucht werden, wobei die superradiante Lichtstreuung neben der Kühlung der Schwerpunktsbewegung auch zur Kühlung der internen Vibrationen beitragen dürfte. Anderseits interessiert der Bereich sehr niedriger Temperaturen und insbesondere das Verhalten eines entarteten Quantengases in einem Resonatorfeld. Hier könnte die Selbstorganisation zu Quantenüberlagerungen von makoroskopisch unterscheidbaren Bewegungszuständen der Atome führen. Langreichweitige Wechslwirkungen im Resonator sollten auch einen wichtigen Einfluß auf Phasenübergänge von Atomen in Lichtgittern haben.

Die Kräfte, die Laserlicht auf Atome ausübt, werden stark verändert, wenn Licht und Atome in einem optischen Resonator eingeschlossen sind. Die Rückwirkung der Teilchen auf das Lichtfeld führt zu einer stark verkoppelten Dynamik. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Manipulation der Teilchen, die von verbesserter Laserkühlung bis zur Implementierung von Quantengattern reichen. Die Wahl einer geeigneten Geometrie erlaubt zudem die Realisierung von maßgeschneiderten langreichweitigen Wechselwirkungen. Zentrale Vorhersagen aus dieser Dynamik, wie Laserkühlen ohne spontane Emission, kollektive Atomsschwingungen oder ein Laser auf Basis eines im Lichtfeld gefangenen Atoms wurden kürzlich experimentell bestätigt. Numerische Simulationen der Bewegung von mit Laserlicht beleuchteten Atomen in einem Resonator sagen eine Selbstorganisation in ein regelmäßiges Gitter begleitet von superradianter Lichtstreuung in die Resonatormode voraus. Dieses Phänomen tritt ab einem bestimmten Schwellwert der Atomzahl und Pumpstärke auf und könnte die Basis für noch effizienteres und auf neue Teilchensorten anwendbares Laserkühlen bilden. Zentrales Ziel dieses theoretischen Forschungsprojekts ist die genauere Untersuchung von Lichtkräften zwischen Teilchen, die durch die gemeinsame Kopplung an Lichtmoden in einem optischen Resonator hoher Güte enstehen. Im Speziellen soll der physikalische Mechanismus, der der Selbstorganisation zugrunde liegt, genauer untersucht werden. Wie startet die Selbstorganisation, wann ist sie stabil und wie sieht der Gleichgewichtszustand aus? Welche Kräfte und Temperaturen lassen sich damit erzielen? Welche Teilchen lassen sich damit abbremsen und kühlen? Einerseits soll hier besonders die Möglichkeit zum Kühlen von Molekülen untersucht werden, wobei die superradiante Lichtstreuung neben der Kühlung der Schwerpunktsbewegung auch zur Kühlung der internen Vibrationen beitragen dürfte. Anderseits interessiert der Bereich sehr niedriger Temperaturen und insbesondere das Verhalten eines entarteten Quantengases in einem Resonatorfeld. Hier könnte die Selbstorganisation zu Quantenüberlagerungen von makoroskopisch unterscheidbaren Bewegungszuständen der Atome führen. Langreichweitige Wechslwirkungen im Resonator sollten auch einen wichtigen Einfluß auf Phasenübergänge von Atomen in Lichtgittern haben.