Hohlraum QED mit Atomen in Optischen Gittern

Die Dynamik ultrakalter Quantengase in optischen Gittern und die Hohlraumquantenelektrodynamik mit Hilfe von Einzelatomen in optischen Resonatoren hoher Güte bilden zentrale Eckpfeiler der modernen Quantenoptik. Durch den erstaunlich raschen Fortschritt der experimentellen Technologie ist nun eine Kombination dieser zwei Gebiete in greifbare Nähe gerückt. Mehrere Forschergruppen konnten bereits Bose-Einstein-Kondensate innerhalb eines optischen Resonators hoher Güte plazieren oder dort erzeugen. Dies erlaubt das extrem genau kontrollierbare Studium von gekoppelten Vielteilchensystemen aus Atomen und Photonen nahe dem absoluten temperatur Nullpunkt, wo Atome und Lichfeld quantentheoretisch beschrieben werden müssen. In einer Reihe von ersten theoretischen Arbeiten zu diesem Thema haben wir unter Verwendung von mathematischen Ansätzen aus der Festkörperphysik kollektive resonante optische Anregungen (Excitonen) eines Quantengases in einem optischen Gitter untersucht und deren Kopplung an Resonatormoden zu Polaritonen studiert. Die entsprechenden Dispersionsrelationen dieser Quasiteilchen lassen sich in den Transmissions- und Reflexionspektren beobachten. Wir beschränkten uns zunächst auf den Spezialfall eines Mott-Insulators mit einer fast perfekt regelmäßigen Teilchenanordnung und konnten auch berechnen wie sich einzelnen Defekten auf die Streuung von Excitonen und Polaritonen auswirken. In doppelt besetzten Gittern treten dazu noch sogenannte dunkle Polaritonen mit sehr langer Lebensdauer auf. In diesem Projekt sollen nun erweiterte Modelle untersucht werden insbesondere unter Einbeziehung von Vibrationsanregungen der Teilchen im Gitter sowie von Teilchen mehreren inneren Freiheitsgraden. Dies erlaubt z.B. Anregungen mit anisotropen Polaristaionseigenschaften, wie Sie für bestimmte Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung benötigt werden oder das Design spezieller Teilchenwechselwirkungen. Interessant ist dabei auch die Erweiterung kollektiver Anregungen auf superfluide Quantengase mit speziellen Quantenfluktuationen der Teilchenzahlverteilung. Als weiterer Spezialfall soll in Zusammenarbeit mit experimentellen Arbeiten am Atominstitut in Wien die resonante magnetische Kopplung eines BEC an einen Stripline Mikroresonator als Schnittstelle von festkörperphysik und Quantenoptik untersucht werden. Als entscheidenden nächsten Schritt planen wir die Untersuchung der Wechselwirkung der Elementaranregungen wie Excitonen und Polaritonen. Diese kann durch die große Reichweite der resonatorinduzierten Wechselwirkung zum Aufbau von sehr komplexen Quantenkorrleationen führen und in exotische Bereiche der Festkörpertheorie, wie zur Vorhersage eines Polaritonkondensats führen.

Die Dynamik ultrakalter Quantengase in optischen Gittern und die Hohlraumquantenelektrodynamik mit Hilfe von Einzelatomen in optischen Resonatoren hoher Güte bilden zentrale Eckpfeiler der modernen Quantenoptik. Durch den erstaunlich raschen Fortschritt der experimentellen Technologie ist nun eine Kombination dieser zwei Gebiete in greifbare Nähe gerückt. Mehrere Forschergruppen konnten bereits Bose-Einstein-Kondensate innerhalb eines optischen Resonators hoher Güte plazieren oder dort erzeugen. Dies erlaubt das extrem genau kontrollierbare Studium von gekoppelten Vielteilchensystemen aus Atomen und Photonen nahe dem absoluten temperatur Nullpunkt, wo Atome und Lichfeld quantentheoretisch beschrieben werden müssen. In einer Reihe von ersten theoretischen Arbeiten zu diesem Thema haben wir unter Verwendung von mathematischen Ansätzen aus der Festkörperphysik kollektive resonante optische Anregungen (Excitonen) eines Quantengases in einem optischen Gitter untersucht und deren Kopplung an Resonatormoden zu Polaritonen studiert. Die entsprechenden Dispersionsrelationen dieser Quasiteilchen lassen sich in den Transmissions- und Reflexionspektren beobachten. Wir beschränkten uns zunächst auf den Spezialfall eines Mott-Insulators mit einer fast perfekt regelmäßigen Teilchenanordnung und konnten auch berechnen wie sich einzelnen Defekten auf die Streuung von Excitonen und Polaritonen auswirken. In doppelt besetzten Gittern treten dazu noch sogenannte dunkle Polaritonen mit sehr langer Lebensdauer auf. In diesem Projekt sollen nun erweiterte Modelle untersucht werden insbesondere unter Einbeziehung von Vibrationsanregungen der Teilchen im Gitter sowie von Teilchen mehreren inneren Freiheitsgraden. Dies erlaubt z.B. Anregungen mit anisotropen Polaristaionseigenschaften, wie Sie für bestimmte Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung benötigt werden oder das Design spezieller Teilchenwechselwirkungen. Interessant ist dabei auch die Erweiterung kollektiver Anregungen auf superfluide Quantengase mit speziellen Quantenfluktuationen der Teilchenzahlverteilung. Als weiterer Spezialfall soll in Zusammenarbeit mit experimentellen Arbeiten am Atominstitut in Wien die resonante magnetische Kopplung eines BEC an einen Stripline Mikroresonator als Schnittstelle von festkörperphysik und Quantenoptik untersucht werden. Als entscheidenden nächsten Schritt planen wir die Untersuchung der Wechselwirkung der Elementaranregungen wie Excitonen und Polaritonen. Diese kann durch die große Reichweite der resonatorinduzierten Wechselwirkung zum Aufbau von sehr komplexen Quantenkorrleationen führen und in exotische Bereiche der Festkörpertheorie, wie zur Vorhersage eines Polaritonkondensats führen.