Hohlraum QED mit ultrakalten Quantengasen

Die Kräfte, die Licht auf Atome und Moleküle ausübt, zeigen sich deutlich verändert, wenn das Lichtfeld und die Teilchen in einem optischen Resonator eingeschlossen sind. Insbesondere führt die verstärkte Rückwirkung der Teilchen auf das Lichtfeld zu einer verkoppelten Bewegung von Teilchenschwerpunkt und Feldamplitude. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Observation und Manipulation der Teilchen, die von verbesserter Laserkühlung über Präzissionsspektroskie bis zur Realisierung von Quantengattern reichen. Zentrale Vorhersagen aus dieser Dynamik wie Laserkühlen ohne spontane Emission, kollektiv verstärkte Lichtstreuung ganzer Teilchenensembles oder ein stimulierte Lichtverstärkung und Lasing mittels einem einzelnen im Lichtfeld gefangenen Atom konnten kürzlich bereits experimentell bestätigt werden. Sogar lichtinduzierte Selbstorganisation der Atome in einem regelmäßigen Gitter und superradiante Lichtstreuung konnten kürzlich in Stanford beobachtet werden. Zentrales Ziel dieses theoretischen Forschungsprojekts ist die genauere Untersuchung von solchen Teilchenwechselwirkungen durch gemeinsame Kopplung an Lichtmoden in einem optischen Resonator. Im speziellen soll das Verhalten von entarteten Quantengasen nahe des absoluten Nullpunktes in einem Resonatorfeld untersucht werden. Dies erfordert eine quantenmechanische Beschreibung von Lichtfeld und Atomen, sodaß das optische Potential quantenmechanische Eigenschaften annimmt und atomare und Feldvariablen dynamisch verschränkt werden. Insbesondere bei Quantenphasenübergängen und der Selbstorganisation der Teilchen können dann Quantenüberlagerungen von makoroskopisch untescheidbaren Bewegungszuständen der Atome auftreten, die mit verschiedenen Feldzuständen verschränkt sind. Hier soll diese Dynamik einerseits anhand vereinfachter analytischer Modelle und andererseits mittels effizienter numerischer Quantensimulationen untersucht werden. Erste Rechnungen haben gezeigt, daß damit durch kontrollierte Messungen am Lichtfeld können quantenstatistische Eigenschaften der atomaren Phasen möglichst zerstörungsfrei gemessen werden können. Da die Lichfelder neue langreichweitige Wechselwirkungen zwischen den Teilchen vermitteln, erwartet man dadurch auch das Auftreten von langreichweitigen Teilchenkorrelationen oder sogar Verschränkungen. Diese Wechselwirkungen könnten in optischen Gittern so die Rolle von Phononen im Festkörpern übernehmen und es erlauben, weitere bekannte Phenomäne der Festkörperphysik in optischen Gittern zu untersuchen.

Die Kräfte, die Licht auf Atome und Moleküle ausübt, zeigen sich deutlich verändert, wenn das Lichtfeld und die Teilchen in einem optischen Resonator eingeschlossen sind. Insbesondere führt die verstärkte Rückwirkung der Teilchen auf das Lichtfeld zu einer verkoppelten Bewegung von Teilchenschwerpunkt und Feldamplitude. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Observation und Manipulation der Teilchen, die von verbesserter Laserkühlung über Präzissionsspektroskie bis zur Realisierung von Quantengattern reichen. Zentrale Vorhersagen aus dieser Dynamik wie Laserkühlen ohne spontane Emission, kollektiv verstärkte Lichtstreuung ganzer Teilchenensembles oder ein stimulierte Lichtverstärkung und Lasing mittels einem einzelnen im Lichtfeld gefangenen Atom konnten kürzlich bereits experimentell bestätigt werden. Sogar lichtinduzierte Selbstorganisation der Atome in einem regelmäßigen Gitter und superradiante Lichtstreuung konnten kürzlich in Stanford beobachtet werden. Zentrales Ziel dieses theoretischen Forschungsprojekts ist die genauere Untersuchung von solchen Teilchenwechselwirkungen durch gemeinsame Kopplung an Lichtmoden in einem optischen Resonator. Im speziellen soll das Verhalten von entarteten Quantengasen nahe des absoluten Nullpunktes in einem Resonatorfeld untersucht werden. Dies erfordert eine quantenmechanische Beschreibung von Lichtfeld und Atomen, sodaß das optische Potential quantenmechanische Eigenschaften annimmt und atomare und Feldvariablen dynamisch verschränkt werden. Insbesondere bei Quantenphasenübergängen und der Selbstorganisation der Teilchen können dann Quantenüberlagerungen von makoroskopisch untescheidbaren Bewegungszuständen der Atome auftreten, die mit verschiedenen Feldzuständen verschränkt sind. Hier soll diese Dynamik einerseits anhand vereinfachter analytischer Modelle und andererseits mittels effizienter numerischer Quantensimulationen untersucht werden. Erste Rechnungen haben gezeigt, daß damit durch kontrollierte Messungen am Lichtfeld können quantenstatistische Eigenschaften der atomaren Phasen möglichst zerstörungsfrei gemessen werden können. Da die Lichfelder neue langreichweitige Wechselwirkungen zwischen den Teilchen vermitteln, erwartet man dadurch auch das Auftreten von langreichweitigen Teilchenkorrelationen oder sogar Verschränkungen. Diese Wechselwirkungen könnten in optischen Gittern so die Rolle von Phononen im Festkörpern übernehmen und es erlauben, weitere bekannte Phenomäne der Festkörperphysik in optischen Gittern zu untersuchen.