Rydbergatome in eingeschränkten Geometrien - Experiment und Theorie

• Antragsteller: Dr. Robert Löw; Professor Dr. Stefan Scheel
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252404023

Die Kontrolle über interne und externe Freiheitsgrade von Atomen hat eine Präzision erreicht, die technische Anwendungen ermöglichen, die festkörperbasierten Geräten überlegen sind. Das prominenteste Beispiel ist die Cäsium-Atomuhr, die unseren Zeitstandard setzt. Zusammen mit der Definition der Lichtgeschwindigkeit bestimmt sie auch das Meter; die genaue Messung von Raum und Zeit basiert demnach auf der Kontrolle von Atomen. Weiterhin dienen Atome als empfindliche Sensoren für magnetische, elektrische und elektromagnetische Felder, Gravitation, Beschleunigungen und Rotationen. Betrachet man die Möglichkeiten atomarer Gase, Lichtfelder zu erzeugen, zu verzögern, zu speichern und zu modifizieren, so wird klar, dass eine Reihe von auf Atomen basierende Geräte in unser tägliches Leben vordringen werden. Eine herausragende Stellung nimmt eine chipbasierte Atomuhr von Symmetricom ein, bei der alle Komponenten miniaturisiert und mit derzeitigen Industriestandards kompatibel sind. Miniaturisierung führt allerdings zu dem Problem, dass sehr nahe an den Atomen liegende Wände ungewünschte Wechselwirkung mit den Atomen erzeugen.Die wissenschaftlichen Fragen, die in diesem Projekt beantworten werden, sind einerseits nach der Minimierung der Kopplung von Atomen an nahegelegene Oberflächen, und andererseits nach der aktiven Verwendung der Oberfläche zur Manipulation der Wechselwirkung zwischen (Rydberg-)Atomen. Der Fokus der Untersuchungen liegt bei der Wechselwirkung von Cäsiumatomen mit dielektrischen Materialien, wobei sowohl niedrige als auch hohe (Rydberg-)Anregungen der Atome abgedeckt werden. Die Experimente arbeiten mit thermischen Atomen bei Raumtemperatur. Unsere Wahl der dielektrischen Materialien, vor allem Quartzglas, ist im Hinblick auf Anwendungen gegeben. Ein besonders bedeutendes Material für unsere Untersuchungen ist Diamant, da die Abwesenheit von optischen Anregungen im IR und fernen IR für Rydbergatome, die in diesen Spektralbereichen ihre stärksten Dipolübergänge besitzen, ideal sind.In einem weiteren Schritt können wir die Anregungsspektren der Festkörper durch Veränderung von Materialeigenschaften wie Dicke, Schichtung usw. manipulieren, um Atom-Wand-Wechselwirkungen entweder abzuschwächen oder zu verstärken. Letzteres könnte für Effekte nützlich sein, die auf der optischen Sättigung durch Erhöhung der Lichtstreurate basieren, wobei genaue Kenntnis der Kopplung für Sensoranwendungen wichtig sind.Das Projekt führt zwei Gruppen an den Universitäten Stuttgart und Rostock mit international führenden Expertisen in Rydbergphysik (Stuttgart) und Atom-Oberflächen-Wechselwirkungen (Rostock) zusammen. Die gemeinschaftlichen Anstrengungen versprechen neuartige Einblicke in die kohärente Manipulation von Atomen in eingeschränkten Geometrien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen