Vielteilchen Resonator-QED: Nichtgleichgewicht und Emergenz

Ziel dieses Projekts ist die theoretische Untersuchung von Nichtgleichgewichtsdynamik und emergenten Phänomenen im Rahmen der "Vielteilchen-Hohlraum-Quantenelektrodynamik" (QED). Zu den interessanten Systemen gehören insbesondere ultrakalte Ein- und Mehrkomponenten-Bose- und Fermi-Quantengase, deren Bewegungs- und interne Dynamik stark an Mehrmoden-Resonatoren gekoppelt ist. Diese Systeme stellen eine neuartige Klasse an der Schnittstelle zwischen offenen quantenoptischen Systemen mit einem oder wenigen Teilchen und Vielteilchen-Quantengassystemen im thermischen Gleichgewicht dar und weisen charakteristische Verhaltensweisen beider Klassen auf, nämlich Nichtgleichgewichtsdynamik und kollektive Vielkörpereffekte. Als Folge des Zusammenspiels zwischen diesen beiden Aspekten entstehen in diesen Systemen Nichtgleichgewichts-(Selbst- )Ordnungen. In diesem Projekt wird zunächst ein allgemeiner theoretischer Rahmen entwickelt, der auf dem Nichtgleichgewichts-Keldysh-Formalismus basiert, um solche Nichtgleichgewichts-Vielteilchen-Multimode-Hohlraum-QED-Anordnungen zu untersuchen. Unter Verwendung des entwickelten Keldysh-Formalismus und anderer moderner theoretischer Methoden wird dieses Projekt insbesondere faszinierende Quantenphänomene in diesen Systemen gründlich untersuchen, nämlich Quantenspinmodelle mit durch Resonatoren induzierte Wechselwirkungen mit verstimmbarer Reichweite, durch Resonatoren induzierte emergente dynamische Eichpotentiale und dynamische Phasen sowie hohlraumgestützte quantenverstärkte Metrologie und zerstörungsfreie Messungen. Dieses Projekt wird unser Verständnis von Vielteilchen-Multimode- Hohlraum-QED-Systemen erheblich vertiefen. Es soll künftige experimentelle Untersuchungen sowie weitere theoretische Studien anregen und inspirieren. Die kontrollierte Umsetzung und Erforschung der in diesem Projekt betrachteten Systeme in modernsten Experimenten könnte wichtige Fragen der offenen Vielteilchen-Quantenphysik aufgreifen. Die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Studien werden für eine breite wissenschaftliche Gemeinschaft von Interesse sein, einschließlich der Ultrakalt-Atom- und Hohlraum- Quantenelektrodynamik-Gemeinschaften, und könnten Anwendungen in neu entstehenden Technologien wie der Spintronik und der Quantenmetrologie finden. Darüber hinaus wird dieses Projekt entscheidende Informationen über Selbstordnung und Emergenz liefern - Phänomene, die für viele wissenschaftliche Bereiche, von der Physik und Chemie bis hin zur Biologie und den Sozialwissenschaften, relevant und wichtig sind. Daher wird dieses Projekt dem blühenden Gebiet der Vielkörper-Hohlraum-QED einen Schub geben.