Quantenvielteilchendynamik von Materie und Licht in Resonato

Ultrakalte Atome, die stark an optische Resonatoren hoher Güte, sogenannte Quantenhohlräume, gekoppelt sind, die z.B. aus zwei hochwertigen winzigen Spiegeln bestehen, bilden eine neue Klasse von Quanten-Licht-Materie-Systemen, in denen die gemeinhin als Hohlraum- Quantenelektrodynamik (QED) bezeichnete Theorie untersucht werden kann. Diese hybriden Systeme bieten eine vielseitige Plattform für fundamentale Studien sowie für Quantenkontrolle und Quantensimulation, da sie in bisher unerreichtem Maße kontrollierbar sind. Die Universität Innsbruck IBK konzentriert sich in diesem internationalen Projekt auf die theoretische Modellierung und Bereitstellung mathematischer Grundlagen und Vorhersagen für die experimentellen Partner an der ETH Zürich und der EPFL Lausanne. Im Besonderen werden wir zwei Hauptthemen theoretisch untersuchen: Adaptive Selbstorganisation: Atome, die sich in optischen Hohlräumen befinden, organisieren sich dynamisch, um Licht unter wechselnder Beleuchtung effizient zu streuen. Bei diesem Prozess, der adaptive Selbstorganisation genannt wird, bilden die Atome Muster, die die Lichtstreuung in den Hohlraum maximieren. Bemerkenswerterweise merkt sich das System einige optimale Muster und kann sich schnell neu anordnen, um diese Muster wiederherzustellen. Dieses Gedächtnis ist mit Metastabilität verbunden - Zustände, in denen sich Atome vorübergehend einnisten, bevor sie optimale Anordnungen erreichen. Wir glauben, dass die Rolle der Hohlraumdissipation (Energieverluste von Spiegeln) für dieses Verhalten von zentraler Bedeutung ist, und wir werden dies im Detail untersuchen. Insbesondere verändert die Dissipation die Stabilität der metastabilen Konfigurationen und verkürzt die Zeit, die benötigt wird, um zwischen den Mustern zu wechseln und die gewünschte optimale Anordnung zu erreichen. Simulation von Eichpotentialen: Das einfachste Eichfeld beschreibt die Elektrodynamik. Wenn sich geladene Teilchen wie Elektronen in einem Raum befinden, der von elektromagnetischen Potenzialen erfüllt ist, ändert sich ihr Verhalten grundlegend. Ladungsneutrale Teilchen, wie z. B. Atome, erleben diese Eichpotentiale jedoch nicht auf die gleiche Weise. Es ist jedoch von grundlegender Bedeutung zu verstehen, was passiert, wenn auch ladungsneutrale Teilchen irgendwie Eich potentiale erfahren können. Diese Idee ist der Grundstein für diesen Teil unserer Forschung. Insbesondere werden wir untersuchen, wie man künstliche Eichfelder in ultrakalten atomaren Systemen mit Hilfe von Hohlräumen erzeugen und manipulieren kann. Diese Eichfelder, die als dynamische Variablen fungieren, können Phänomene nachahmen, wie sie in der Physik der kondensierten Materie und im Standardmodell der Elementarteilchen vorkommen, und bieten somit ein praktisches Fenster zur Physik hoch korrelierter Systeme und subatomarer Teilchen.