Quantendynamik von Vielteilchen-Hohlraum QED-Systemen

In den letzten 20 Jahren hat es der enorme Fortschritt experimenteller Methoden zur Manipulation atomarer Materie bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts ermöglicht, Richard Feynmans Traum eines Quantensimulators zu verwirklichen. Ein Quantensimulator ist ein einfaches, präzise kontrollierbares System, mit dem das Verhalten anderer, komplexerer Quantensysteme experimentell imitiert werden kann. Es gibt zahlreiche Quantensimulatoren auf Basis ultrakalter Atome im freien Raum, mit denen Phänomene wie Quantenmagnetismus, Supraleitung oder Quark- Confinement untersucht werden können. Befinden sich Atome nicht in freiem Raum, sondern stattdessen in einem Hohlraumresonator, so treten, interessanterweise, die Quanteneigenschaften des Lichts zu Tage. Ein optischer Resonator bestehend aus zwei oder mehr hochreflektiven Spiegeln ist in der Lage Licht bei bestimmten Resonanzfrequenzen einzuschließen und damit die Atom- Photon-Kopplung zu verbessern. Letzteres führt üblicherweise zu einer atomaren Rückwirkung auf das Feld und zu nicht-lokalen Wechselwirkungen. Aus diesen Gründen bieten Verbundsysteme aus Quantengasen und optischen Resonatoren eine einzigartige Plattform für Quantensimulationen, indem sie die Quanteneigenschaften von Licht und seine Wechselwirkung mit ultrakalter Materie vereinen. Das wissenschaftliche Ziel dieses Antrags ist es, die größten Vorteile von Quantengasen Hohlraumplattformen in der theoretischen Untersuchung von kontinuierlichen, dissipativen Zeitkristallen höherer Ordnung, Flachband-Vielteilchenphysik mit durch den Hohlraum übertragenen, weitreichenden Wechselwirkungen und an synthetische, dynamische Eichfelder gekoppelte Systeme - zu nutzen. Die Forschungsziele dieses Antrags gehören den modernen Trends in der Physik ultrakalter Atome und kondensierter Materie an und liegen im Bereich zeitgemäßer Tabletop-Experimente. Die Ergebnisse werden, unserer Erwartung nach nicht nur die zukünftige Forschung direkt beeinflussen, sondern auch zu langfristigen Zielen beitragen. Zeitkristalle höherer Ordnung können Phänomene der kondensierten Materie unterstützen, die die Tür zu mehrdimensionaler Raum-Zeit-Elektronik öffnen, während insbesondere die Robustheit diskreter Zeitkristalle in Quantenrechnungen genutzt werden kann. Darüber hinaus kann die durch Hohlraum übertragene wechselwirkungs-induzierte Dynamik auf flachen Bändern zu neuen Materialien führen, wie z. B. exotischen, hochkorrelierten Gitter-Superfestkörpern. Abschließend sind dynamische Eichfelder elementare Bausteine fundamentaler physikalischer Theorien, und daher ebnen deren effiziente Quantensimulationen den Weg hin zu einem tieferen Verständnis grundlegender Probleme wie Quark-Confinement oder stark wechselwirkender Pendants topologischer Isolatoren.

Moderne experimentelle Plattformen ermöglichen es uns, Quantensysteme sowohl im als auch außerhalb des Gleichgewichts zu erforschen. Diese Plattformen ergänzen einander und stärken unser grundlegendes Verständnis der Quantenwelt, was den Fortschritt hin zu neuen Quantentechnologien vorantreibt. Insbesondere bieten ultrakalte Gase in optischen Gittern und Resonatoren saubere, kontrollierbare Umgebungen zur Untersuchung von Nichtgleichgewichtsdynamik und Lokalisierung. Im Gegensatz dazu arbeiten photonische Systeme, die aus gekoppelten oder Multimoden-Resonatoren bestehen, natürlicherweise in getrieben-dissipativen Regimes. Durch die Überprüfung von Vielteilchenkonzepten unter sowohl teilchenerhaltenden als auch Gewinn- und Verlustbedingungen (gain-loss) verknüpfen diese Ansätze fundamentale Theorie mit praktischer Umsetzung. In diesem Projekt nutzten wir diese verschiedenen Plattformen, um unser Verständnis der Quantenwelt zu erweitern, wobei der Fokus auf der Dynamik außerhalb des Gleichgewichts lag. Wir zeigten, dass komplexe Quantensysteme sich in vorhersagbare Zustände einpendeln können, selbst wenn sie Dissipation ausgesetzt sind. Konkret beobachteten wir in Anordnungen optischer Resonatoren eine dynamische Kondensation von Licht in bevorzugte Zustände sowie stabile Grenzzyklen. Durch die Ausweitung dieser Kontrolle auf den Zeitbereich schlugen wir "Kristalle in der Zeit" innerhalb von Ringresonatoren vor, bei denen eine zeitliche Modulation räumliches Festkörperverhalten nachahmen kann. Ergänzend zu diesen photonischen Studien nutzten wir Rydberg-Atom-Arrays zur Simulation von vibrationsunterstütztem Transport und identifizierten dabei Bereiche, in denen sich Anregungen dispersionsfrei ausbreiten und robust gegen Unordnung bleiben. Darüber hinaus führten wir ein trajektorienbasiertes Protokoll unter Nutzung von Superradianz in verlustbehafteten Resonatoren ein, um schnell makroskopisch verschränkte Zustände zu erzeugen. Schließlich identifizierten wir eine deutliche topologische Signatur dynamischer Phasenübergänge in dreidimensionaler Quantenmaterie: Anstatt sich als isolierte Defekte zu manifestieren, bildet das System geschlossene Schleifen im Impulsraum. Insgesamt liefern diese Ergebnisse neuartige Effekte und Kontrollstrategien für Nichtgleichgewichts-Quantensysteme, mit bedeutenden Implikationen für zukünftige photonische Bauelemente und die Quantensensorik.