Kollektive optische Effekte ultrakalter Rydbergatome in optischen Resonatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Slama
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422447846

Das Projekt untersucht, welchen Einfluss starke Wechselwirkungen zwischen Atomen bei intermediären Abständen auf die kollektive externe und interne Dynamik von ultrakalten Atomen in optischen Resonatoren haben. Konkret geht es um Dipol-Dipol Wechselwirkungen zwischen Rydbergatomen. Atome in Resonatoren können sich selbst in periodischen Strukturen anordnen, wenn sie von der Seite des Resonators mit Laserlicht beleuchtet werden. Dem Selbstorganisationsprozess liegt zugrunde, dass die Atome das Laserlicht kollektiv in die Resonatormode umstreuen, wo dieses von den Resonatorspiegeln zurückgeworfen wird und zu einer mechanischen Rückwirkung auf die Atome führt. Diese durch den Resonator vermittelte Wechselwirkung zwischen den Atomen hat eine unendlich große Reichweite. Neue Physik entsteht durch die zusätzliche Wechselwirkung zwischen Rydbergatomen. Dipol-Dipol-Wechselwirkungen bei intermediären Abständen unterdrücken die Anregung von mehr als einem Rydbergatom (Rydbergblockade). Dadurch ist die Lichtstreuung innerhalb einer Rydbergblase ein hoch-nichtlinearer Prozess, und die Streuung von Licht in den Resonator stellt sich als kollektives Phänomen der einzelnen Rydbergblasen und nicht der einzelnen Atome dar. Wir werden untersuchen, welchen Effekt die Rydbergblockade auf die sich bildenden selbstorganisierten Strukturen und auf die Intensität und Phase des in den Resonator gestreuten Lichts hat. Außerdem werden wir untersuchen, ob die zusätzliche Wechselwirkung zu neuen stabilen Phasen der Atomwolke führen kann, ja nach Größe des Blockaderadius und der Atomwolke als Ganzes. Die interne Dynamik wird dadurch bestimmt, dass die Resonatormode nahresonant ist zum atomaren Übergang vom Grundzustand in ein atomares Zwischenniveau, wobei die Kopplung kollektiv überhöht ist. Das Zwischenniveau wird seinerseits durch ein starkes externes Laserfeld an einen Rydbergzustand gekoppelt. Bei großer Verstimmung vom Zwischenniveau lässt sich die Dynamik in einem effektiven Zweiniveaumodell beschreiben, wobei die Kopplung zwischen den Atomen und dem Resonatorfeld durch einen Zwei-Photonen-Übergang bestimmt wird. Die Kopplungsstärke kann durch die Intensität des Kopplungslasers eingestellt werden, wobei der Resonator nur zu den Photonen des unteren Übergangs resonant ist. Diese Eigenschaft ist bemerkenswert und unterscheidet sich vom üblichen Schema, bei dem der Resonator resonant zu einem Ein-Photon-Übergang ist. Mittels Zwei-Photon-Übergängen kann man so die Kopplungsstärke extern kontrollieren, und zwar sowohl als Funktion der Zeit als auch des Orts. Diese Eigenschaft ist äußerst interessant für Anwendungen in den Quantentechnologien, z.B. für Quantenspeicher. Wir werden die Grundlagen für solche zukünftigen Anwendungen legen, indem wir starke kollektive Kopplung zwischen dem Resonator-Lichtfeld und atomaren Zwei-Photon-Übergängig nachweisen. Das konkrete Ziel ist der Nachweis von Vakuum-Rabi-Oszillationen, indem ein gepulstes Anregungsschema verwendet wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr. József Fortágh
• Kooperationspartner: Professor Dr. Helmut Ritsch