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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.