Hybride Quantenoptomechanik in einem optischen Resonator

Hauptziel dieses Antrags ist die Erforschung eines Quanten-Hybrid-Systems welches einzigartige individuelle Vorteile und Möglichkeiten verschiedener physikalischer Systeme in sich vereint. Die Kombination eines einerseits stark gekoppelten opto-mechanischen Systems (Makroskopischer mechanischer Oszillator innerhalb einer "Cavity") mit der "Cavity QED" eines Vielteilchen-Ionen-Systems andererseits, ermöglicht die Realisation einer einzigartigen experimentellen Testumgebung für die Erforschung kohärenter Quantendynamik zwischen mikroskopisch/mesoskopischen (einzelne Ionen/Kristall-Ionen/ Ensemble von Atomen) und makroskopischen Systemen (mikromechanischer Oszillator). Existierende Methoden zur Manipulation atomarer Quantenzustände eröffnen Möglichkeiten zur Präparierung und Manipulation makroskopischer Oszillator-Quantenzustände. Um eine starke Kopplung zwischen diesen Systemen zu erreichen (d.h. inkohärente Wechselwirkungen mit der Umgebung sind gegenüber den Kohärenten vernachlässigbar), ist eine gute Kopplung der Konstituenten an das optische Feld unabdinglich. Für atomare/optische Systeme ist dies selbstverständlich, nicht jedoch für typische opto-mechanische Systeme, welche massive Resonatoren innerhalb der Cavity beinhalten (z.B.: vibrierende Spiegel, dielektrische Membranen, frei schwebende Kunststoff-Ringe). In Diesen ist der Kraftstoß eines einzelnen Elektrons vernachlässigbar klein gegenüber der Masse des Resonators. Mit diesem Antrag schlage ich eine Alternative zur üblichen "reflektiven" Opto-Mechanik vor um das Problem der schwachen Photonen-Phononen-Kopplung zu lösen. Dabei beschreibe ich eine "kollektive transmissive Opto- Mechanik", mit Hilfe eines Strangs von N Streupartikeln, jedes mit Polarisierbarkeit . Erste Rechnungen liefern Indizien, dass eine bestimmte Schwingungsmode äußerst stark an das Cavity-Feld koppelt. Die Skalierung der Kopplung mit der Anzahl an Streupartikeln von N3/2, sowie eine Art Photonen-Recycling-Effekt welcher zu einer 2 Verbesserung führt, erlauben es die Kopplung gegenüber konventionellen Systemen um drei Größenordnungen zu verbessern und ebnen den Weg zur Implementierung eines Atom-Festkörper-Hybrid Systems. Darüber hinaus erlauben langreichweitige nicht-lokale Wechselwirkungen zwischen den Streupartikeln die Erforschung exotischer Quantendynamik. Für die Praxis schlage ich vor einen Ionen-Kristall innerhalb einer Paul-Falle zu verwenden, welche innerhalb einer 1 cm großen Cavity platziert werden kann. Die Parameter dieses Systems sind hochgradig skalierbar. Die Anzahl der Partikel kann zwischen einem und tausenden variiert werden. Die internen Zustände sind durch Laserparameter adressierbar. Die Zustände sind langlebig mit Lebensdauern von Stunden und mehr. Die innere Zustands-Struktur der Ionen habe Ich vor Kurzem zur "Sideband"-Kühlung eines Spiegels verwendet. Ein neuerer Ansatz beinhaltet die Idee die Anregungen im Kristall zunächst an Photonen und dann indirekt an den mechanischen Oszillator zu koppeln. Um dies zu erreichen müssen zunächst Möglichkeiten einen Kristall in opto- mechanischen Experimenten zu verwenden ergründet werden. Vibrations-Moden die an ein passendes Cavity-Feld koppeln, deren mechanische Q-Faktoren und der Einfluß der Umgebung (Dekohränz) müssen erforscht werden. Dies alles sind Aufgaben die ich mit Hilfe zweier theoretischer Ansätze lösen möchte: I) Ein auf Plasmaphysik basierendes Fluß-Model, welches erfolgreich zur Berechnung von Oberflächen-Oszillationen verwendet werden kann und II) ein diskretes Modell, in welchem ich die Ionen-Photonen Wechselwirkung, wie sie z.B.: zur Sideband-Kühlung verwendet wurde verallgemeinere.

Die grundlegenden Konzepte von hybrider Quantenoptomechanik in einem optischen Resonator sind Quantenoptomechanik und kollektive Dynamik von Quantenemittern. Auf der Makroskala können relativ große Objekte (Mikro- und Nanospiegel, Membranen, etc.) durch den Effekt des Strahlungsdrucks mit Licht manipuliert werden: ein eintreffendes Photon überträgt seinen Impuls und induziert bzw. modifiziert dadurch Vibrationen. Die Kontrolle über den Quantenzustand von vibrierenden makroskopischen Objekten mithilfe von Lichtquanten, also Photonen, ist Gegenstand der Untersuchungen im Feld der Quantenoptomechanik. Auf der Mikroskala werden winzige Objekte (Atome, Moleküle, etc.) als quantenmechanische Zwei-Niveau-Systeme beschrieben, welche durch Photonen, die energetisch an die Resonanz (Energiedifferenz zwischen den zwei Niveaus) angepasst sind, manipuliert werden können. Diese Systeme können Licht absorbieren oder emittieren (daher der Name Quantenemitter), wobei der jeweilige Prozess kohärenter (reversibel) oder inkohärenter (irreversibel) Natur sein kann. Während in der Quantenoptik große Fortschritte hinsichtlich der Kontrolle einzelner Quantenemitter durch einzelne Photonen gemacht wurden, entstehen interessante Phänomene, wenn man diese Emitter kollektiv adressiert. Das Feld der hybriden Quantenoptomechanik resultiert aus dem Überlapp zwischen Objekten der Makro- und Mikroskala durch den Effekt des Strahlungsdrucks von Photonen auf Materie.Dieses Projekt hat Fortschritte im Zusammenhang mit dem Bau von mehrschichtigen optomechanischen Plattformen, bei welchen mehrere vibrierende Membranen in einen optischen Resonator eingeführt werden, gezeigt. Photonen in solchen Resonatoren werden oftmals von den beiden Spiegeln reflektiert, wodurch es möglich ist, dass ein einzelnes Photon öfters Impuls an eine in dem Resonator befindliche Membran abgibt. Es wurde gezeigt, dass für N eingesetzte Membranen die einzelne Photon-Phonon Kopplungsstärke nicht wie trivial erwartet mit N 1/2 sondern stattdessen mit N 3/2 skaliert. Dies eröffnet Möglichkeiten im Hinblick auf das Kühlen der Vibrationen der Membran bis zu ihrem quantemechanischen Grundzustand, oder aber für die effiziente Kopplung von Vibrationen an interne Zustände von Quantenemittern. Des Weiteren führt das Licht zu nicht-trivialen, langreichweitigen Wechselwirkungen zwischen entfernten Membranen, was Studien von exotischen Quantenbewegungen und der Diffusion von Phononen auf rekonfigurierbaren Plattformen ermöglicht.Andererseits wurden im Zusammenhang mit Quantenemittern i) kollektive sub/superradiante Zustände und deren Anwendung in Quantenmetrologie (exakte Frequenzbestimmung) oder als Quantenspeicher und ii) der Transport von Energie und Ladung innerhalb von interagierenden Systemen von Quantenemittern untersucht. Da ein Quantenemitter unausweichlich an das elektromagnetische Vakuum gekoppelt ist, verliert dieser Anregungen durch spontane Emission. Befindet sich der Emitter innerhalb eines Ensembles, so ist er von einem (durch die Anwesenheit der benachbarten Emitter) modifizierten Vakuum umgeben. Teilen sich alle Emitter des Ensembles eine Anregung (z.B. durch Absorption eines räumlich weit ausgedehnten Photons, das zwischen den Emittern nicht unterscheidet), so kann dies entweder zu einer sehr starken Kopplung an das Vakuum und somit zu einem sehr schnellen Verlust der Anregung (Superradianz), oder aber zu einer fast vollständigen Entkopplung und einer damit verbundenen langen Lebensdauer (Subradianz) der Anregung führen. Durch richtige geometrische Konfiguration, selektive energetische Adressierung, etc., haben wir gezeigt, dass man sich Subradianz für präzisere Frequenzmessungen oder langlebige Quantenspeicher zunutze machen kann.Der reversible Austausch von Photonen zwischen benachbarten Quantenemittern führt zu einem so genannten Hopping-Modell für den Transport von Excitonen. Innerhalb von optischen Resonatoren zeigen auch Emitter eine starke kollektive Kopplung an die oft reflektierten Photonen. Wir haben gezeigt, dass durch eine Kombination dieser beiden Effekte eine andere Art schnelleren Transports aufgrund von delokalisierten hybriden Licht-Materie Zuständen kommen kann.