Grenzen quantenkooperativer Licht-Materie-Schnittstellen

Licht ist ein Schlüsselfaktor für die Nachhaltigkeit des Lebens auf der Erde. Es hat die Menschen schon immer fasziniert und ihre Neugier auf wissenschaftliche Entdeckungen geweckt, die Prinzipien der klassischen Physik und Quantenphysik in verschiedenen Bereichen wie Energieerzeugung, Navigation und Fernkommunikation nutzen. In der Quantenoptik hängen die Strahlungseigenschaften eines Atoms von seiner elektromagnetischen Umgebung ab. In einer Gruppe von Atomen, die ausreichend nahe beieinander liegen, sind interatomare Wechselwirkungen wichtig. Dies ist als Quantenkooperatives Phänomen bekannt, bei dem es sich um die Aktivität eines Teams von Quantenemittern handelt, die die gegenseitige Anwesenheit wahrnehmen. Dadurch kahn, dass ihr kollektiver Verlust unterdrückt oder verstärkt werden; sie weisen Subradianz oder Superradianz auf. Dieses Projekt wird neuartige kollektive Strahlungseigenschaften theoretisch abschätzen und konstruieren, einerseits mit bio- inspirierten Nanoringen, die bessere optische Eigenschaften als andere Zusammensetzungen von Emitter-Array-Strukturen haben, und andererseits mit atomaren Ensembles. Die Natur hat komplexe Ringe aus Lichtsammelkomplexen (LHCs) konstruiert und verlässt sich auf diese, um den hocheffizienten Photosyntheseprozess zu ermöglichen. Hier werden wir die Anregungsdynamik bio-inspirierter nanoskaliger Modellringe untersuchen, bei denen Licht einen Dipol anregt und die Anregung dann durch das Ringnetzwerk wandert. Durch die Nachahmung der komplexen Bio-LHCs werden wir versuchen, bestehende Ringdesigns zu verbessern und aktuelle theoretische Modelle zu erweitern, um realistischere kollektive Lichteffekte zu erklären. Das Ziel wird insbesondere darin bestehen, nachhaltigere, belastbarere, skalierbarere und experimentell realisierbare Ringdesigns für realistische Implementierungen, beispielsweise in Halbleiterschnittstellen, zu realisieren, um Solarenergie auch unter rauen Wetterbedingungen zu nutzen. Wir werden den Einfluss eines Verunreinigungsatoms auf Ringe bestimmen, weitreichende Wechselwirkungen induzieren, um weitreichende Moleküle zu erzeugen, und Einzelphotonenemission mit nanoskaligen Ringen konstruieren. Für Vielteilchensysteme planen wir, die lichtinduzierte Dichteänderung in kaltem Atomgas, die entsprechende Erzeugung von Superstrahlungsausbrüchen und die manifeste Vielteilchenverschränkung zu untersuchen. Wir werden einen internen Julia-Programm-code entwickeln, der der wissenschaftlichen Gemeinschaft frei zugänglich sein wird. Insgesamt werden unsere Forschungsziele neue Möglichkeiten für die Photophysik bei Raumtemperatur eröffnen und für zukünftige Anwendungen in vielen Quantentechnologien einfallsreich bleiben. Langfristig könnten die Ergebnisse dieses Projekts zu einem Wandel der Branche führen, der letztendlich die Sozialpolitik prägen und zum Aufbau einer besseren Gesellschaft beitragen wird.