Quantenoptische Phänomene in magnetoelektrischen Kristallen

Seit Star Wars sind Laser aus Sci-Fi-Filmen und in letzter Zeit auch aus alltäglichen Anwendungen wie DVD-Playern und Laserpointern bekannt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen erzeugen Laser einen kohärenten Lichtstrahl, der durch eine einzige Wellenlänge und eine einzige Wellenfunktion von Position und Zeit beschrieben werden kann. Das Lasermedium befindet sich zwischen einem Spiegelpaar, einem sogenannten optischen Hohlraumresonator. Die Hohlraumlänge wählt den einzig möglichen Lichtmodus aus, der die Wellenlänge des Ausgangsstrahls bestimmt. Laser reagieren jedoch empfindlich auf kleine Änderungen in der Länge des optischen Hohlraumresonators, was ihre Verwendung in hochpräzisen Anwendungen wie Atomuhren einschränkt. Dieser Nachteil wird in der Quantenoptik überwunden. Das Phasengedächtnis des Systems wird im kollektiven Quantenzustand des Lasermaterials und nicht in den geometrischen Parametern des Resonators gespeichert. Der kollektive Zustand des Materials garantiert die hohe Stabilität des Laserstrahls, wenn er von der Umgebung isoliert ist. Die experimentellen Realisierungen solcher Systeme arbeiten typischerweise nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt, was ihre Untersuchung einschränkt und praktische Anwendungen unmöglich macht. In unserem Projekt planen wir, quantenoptische Effekte bei routinemäßig zugänglichen Standardlabortemperaturen zu realisieren. Unabhängige auf- oder abwärts gerichtete magnetische Momente (Spins) von Seltenerdmetall-Ionen ergeben das Ensemble der Zwei- Zustands-Quantensysteme unserer Studie. Die Welle, die sie verbindet, wird durch die Schwingungen (Spinwellen) der sie umgebenden geordneten magnetischen Eisenmomente erzeugt. Daher konzentrieren wir uns auf die Realisierung der magnetischen Alternative der konventionellen Quantenoptik im elektrischen Bereich. Neben der fundamentalen Neuheit sind die wichtigsten praktischen Vorteile unseres Ansatzes die höheren, leicht zugänglichen charakteristischen Temperaturen, und, aufgrund der längeren Wellenlänge der Spinwellen, die Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Änderungen der Probengröße.

Seit Star Wars haben Laser die Fantasie in Science-Fiction-Filmen beflügelt und ihren Weg in alltägliche Anwendungen wie DVD-Player und Laserpointer gefunden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lampen emittieren Laser kohärente Lichtstrahlen, die durch eine einzige Wellenlänge und eine einheitliche Wellenfunktion von Ort und Zeit gekennzeichnet sind. Diese Kohärenz ergibt sich aus der optischen Verstärkung, bei der die Abmessungen des optischen Hohlraums, in dem sich das Lasermedium befindet, eine einzige Lichtmode auswählen, die der Wellenlänge des Ausgangsstrahls entspricht. Laser sind jedoch anfällig für winzige Änderungen der Länge des optischen Hohlraumresonators, was ihre Verwendung in Präzisionsanwendungen wie Atomuhren einschränkt. In der Quantenoptik wird diese Einschränkung überwunden, indem das Phasengedächtnis des Systems im kollektiven Zustand des Lasermaterials gespeichert wird, anstatt sich auf die geometrischen Parameter des Resonators zu verlassen. Der kollektive Zustand des Lasermaterials ist von der Umgebung isoliert und gewährleistet eine hohe Stabilität des Laserstrahls. Experimentelle Realisierungen solcher Überstrahlungssysteme arbeiten in der Regel bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, was ihre Erforschung einschränkt und praktische Anwendungen behindert. In unserem Projekt wollten wir quantenoptische Effekte routinemäßig bei Standard-Labortemperaturen erzielen. Wir nutzten unabhängige magnetische Momente (Spins) von Seltenerd-Ionen, die in unserer Studie als Quantensysteme mit zwei Zuständen agieren. Die Welle, die diese Spins verbindet, wird durch die Oszillationen (Spinwellen) der umgebenden magnetisch geordneten magnetischen Momente begünstigt. Wir konzentrieren uns also auf die Realisierung des magnetischen Gegenstücks der konventionellen Quantenoptik im elektrischen Bereich. Abgesehen von seiner grundlegenden Neuartigkeit bietet unser Ansatz praktische Vorteile wie höhere, leicht erreichbare charakteristische Temperaturen und Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Änderungen der Probengröße aufgrund der größeren Wellenlänge der Spinwellen. Obwohl unser Experiment nur teilweise erfolgreich war, da wir nur 60 % der für den Überstrahlungszustand erforderlichen Kopplungsstärke erreichten, stellen unsere Ergebnisse einen bedeutenden Fortschritt im Vergleich zum Stand der Technik dar. Außerdem zeigen unsere Ergebnisse das vielversprechende Potenzial unseres Ansatzes für die Untersuchung quantenoptischer Phänomene. Als Nebenprodukt unserer Studien zum superradianten Phasenübergang haben wir zum ersten Mal die Rolle kollektiver Effekte bei der scheinbaren Dämpfung magnetischer Resonanzen aufgedeckt. Darüber hinaus entdeckten wir auch exotische magnetoelektrische Mehrfach-Magnon-Resonanzen in magnetoelektrischen Kristallen.