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Promotionsprojekte
© Valentin Klüsener

Quanten­si­mu­la­tion von starker Licht-Materie-Wechselwirkung

Valen­tin Klüsener – Hector Fellow Immanuel Bloch

Die Absorp­tion und Emission von Strah­lung durch Quanten­emit­ter stellt das zentrale Paradigma der Quanten­op­tik dar. Wenn eine starke Kopplung zwischen einem Emitter und seiner Umgebung herrscht, können faszi­nie­rende Strah­lungs­ef­fekte reali­siert werden, wie eine gerich­tete Emission oder modifi­zierte Zerfalls­ra­ten. In diesem Projekt sollen derar­tige Effekte in einem System ultra­ka­l­ter Atome in optischen Gittern unter­sucht werden, die Materie­wel­len anstelle von optischer Strah­lung emittieren.

Die analoge Quanten­si­mu­la­tion erlaubt es, komplexe Quanten­viel­teil­chen­sys­teme zu unter­su­chen, indem das gewünschte System in einem saube­ren Modell­sys­tem aus präzise kontrol­lier­ba­ren Quanten­teil­chen nachge­bil­det wird. Mit ultra­ka­l­ten Atomen in optischen Gittern wurden auf diese Weise schon erfolg­reich verschie­denste Festkör­per­sys­teme erforscht. Dieses Projekt soll die Anwend­bar­keit dieser Platt­form auf Systeme der Quanten­op­tik und Nanopho­to­nik erwei­tern. Das zentrale Paradigma der Quante­op­tik ist die Absorp­tion von Strah­lung durch Quanten­emit­ter und darauf­fol­gende Emission in die Umgebung. Wenn eine starke Kopplung zwischen einem Emitter und seiner Umgebung herrscht, können Quanten­sys­teme mit inter­es­san­ter Abstrah­lungs­cha­rak­te­ris­tik reali­siert werden, wie etwa eine räumlich gerich­tete Emission oder langle­bige „subra­di­ante“ Zustände.

Derar­tige Phäno­mene sollen erforscht werden, indem ein Quanten­emit­ter durch ein künst­li­ches Zwei-Niveau-System aus ultra­ka­l­ten Atomen in einem zustands­ab­hän­gi­gen optischen Gitter ersetzt wird. Gefan­gene Atome in einem metasta­bi­len angereg­ten Zustand fugie­ren dabei als Emitter, die zerfal­len indem sie Atome im Grund­zu­stand in Form von Materie­wel­len „emittie­ren“. Um die Dynamik dieser Parti­kel zu unter­su­chen, werden Atome im Grund­zu­stand mit atoma­rer Auflö­sung optisch abgebil­det. Dieser analoge Quanten­si­mu­la­tor ermög­licht es, stark gekop­pelte Licht-Materie Systeme zu erfor­schen, die in nanopho­to­ni­schen Struk­tu­ren nur schwer zugäng­lich sind.

Quantensimulation von starker Licht-Materie-Wechselwirkung

Eine einge­schlos­sene Wolke aus ultra­ka­l­ten Stron­ti­um­ato­men bei Tempe­ra­tu­ren nahe dem absolu­ten Nullpunkt (links). Grafi­sche Darstel­lung der Emission von Materie­wel­len (Badteil­chen) in einem System von künst­li­chen Emittern in einem optischen Gitter (rechts).

Valen­tin Klüsener

Ludwig-Maximi­li­ans-Univer­si­tät München
   

Betreut durch

Prof. Dr.

Immanuel Bloch

Physik

Hector Fellow seit 2012