Tiefe starke Kopplung quantenmechanischer Bewegungsmoden ultrakalter Atome in optischen Gitterpotentialen

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Weitz
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383433119

Ultrakalte Atome in optischen Gitterpotentialen stellen ein hervorragendes System sowohl zur physikalischen Implementierung als auch zur Quantensimulation von Effekten aus verschiedenen physikalischen Gebieten dar. So gelang die Demonstration von aus der Festkörperphysik bekannten Phänomenen, wie dem Mott-Isolator-Übergang, oder auch Vorhersagen relativistischer Wellengleichungen. In Vorarbeiten gelang unserer Arbeitsgruppe die Demonstration relativistischen Klein-Tunnels mit ultrakalten Atomen in einem optischen Gitter variabler Dispersion, von atomaren Quantenratschen sowie vor kurzem die räumliche Auflösung eines topologisch geschützten Randzustands mit Atomen in einem optischen Gitter. Zentral für diese Experimente war die Entwicklung variabler optischer Mehr-Photonengitter in unserer Arbeitsgruppe. Aufbauend auf diese Vorarbeiten soll der Bereich extrem starker Kopplung quantenmechanischer Moden, bei dem die Kopplungsstärke zwischen den Moden deren Eigenfrequenzen übersteigt, mit ultrakalten Atomen im optischen Gitterpotential erschlossen werden. Von theoretischer Seite unterstützt werden unsere experimentellen Arbeiten von der Theorie-Arbeitsgruppe von Prof. E. Solano, Universität des Baskenlandes in Bilbao, mit der das theoretische Konzept zu dem geplanten experimentellen Verfahren entwickelt wurde. Die Wechselwirkung zweier quantenmechanischer Moden wird in Experimenten der Quantenoptik üblicherweise durch die Kopplung eines atomaren Zweiniveausystems an eine optische Mode in einem Resonator realisiert. Im Bereich der sogenannten starken Kopplung, die durch das Jaynes-Cummings Modell beschrieben wird, betrachtet man Systeme, bei denen die Kopplungsstärke oberhalb der Dekohärenzrate, aber noch weit unterhalb der atomaren Übergangsfrequenz liegt. Hier soll dagegen der Bereich untersucht werden, in dem die Kopplungsstärke vergleichbar und insbesondere auch weit oberhalb der Oszillatoreigenfrequenz liegt. Derartige Parameterbereiche können technisch nicht mit der natürlichen Atom-Licht Wechselwirkung realisiert werden. Quantisierte mechanische Bewegungsmoden von Atomen in optischen Gitterpotentialen erlauben hingegen eine hervorragende alternative Herangehensweise an dieses Ziel. Dabei wird das Zweiniveausystem durch die Besetzung von Bloch-Bänden im Gitterpotential realisiert und die damit wechselwirkende bosonische Mode durch die Vibrationsfrequenz im Potential einer Dipolfalle. Ziel ist die experimentelle Beobachtung von charakteristischen Signaturen dieses neuartigen Bereichs. Ein Beispiel dafür ist die in theoretischen Arbeiten vorhergesagte komplexe Dynamik, die einen Kollaps und das Wiederaufleben des Anfangszustands für größere Wechselwirkungszeiten beinhaltet. Perspektive der Arbeiten sind einerseits neuartige Konzepte der Quanteninformationsverarbeitung, andererseits die Untersuchung des tiefen starken Kopplungsbereichs mit wechselwirkenden atomaren Quantengasen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen