Quantenphysik mit mechanischen Schwingungszuständen

Die präzise Kontrolle von Quantensystemen ist einer der Forschungsschwerpunkte der modernen Physik. Unser Forschungsprojekt verwendet kalte atomare Quantengase als Modellsystem um derartige Untersuchungen auf komplexe Vielteilchensysteme und nicht-Gleichgewichtszustände auszuweiten. Untersucht werde mechanische Schwingungszustände eines in einem externen potential gefangenen Gases. Bose-Einstein Kondensation (BEK) zu einem quasi-1D Quantengas realisiert dabei eine Initialisierung in den Vibrations-Grundzustand. Methoden der kohärenten Quantenkontrolle werden es uns ermöglichen, gezielt nicht-gleichgewichts-Zustände zu erzeugen und zu untersuchen. Die vorgeschlagenen Untersuchungen werden an einem voll einsatzfähigen Experiment in der Gruppe von Prof. Schmiedmayer an der TU Wien durchgeführt. Hier werden routinemäßig quasi-1D Quantengase erzeugt, die Verwendung von mikrofabrizierten Chipstrukturen ermöglichst dabei eine sehr schnelle und präzise Manipulation der Potentiale. Die Gruppe konnte bereits eine vollständige Besetzungsinversion eines BEK vom Grundzustand in den ersten angeregten Vibrationszustand demonstrieren. Darauf aufbauend wird der erste Projektschritt darin bestehen, eine kohärente, phasenkontrollierte Überlagerung dieser beiden Zustände zu erzeugen (Investigation 1). Generell werden zwei Arten Bewegungszustände untersucht: Vibrationszustände bezüglich der Eigenachsen des externen Potentials bzw. Rotationszustände in einer radialsymmetrischen Geometrie. Übergänge werden entweder durch Manipulation des externen Potentials oder interne Zustandsänderungen getrieben (Investigation 2). Aufgrund des Vielteilchencharakters der Quantengase werden die erzeugten Zustände mit der Zeit zerfallen. Dieser Zerfallsprozess ist ähnlich der aus der Optik bekannten down-conversion, ob auch hier eine Quantenverstärkung auftritt ist Gegenstand der Untersuchung. Alternativ untersucht werden Möglichkeiten, die Lebensdauer der nicht- gleichgewichts-Zustände zu erhöhen (z.B. Reduktion des räumlichen Überlapps, Investigation 4). Langlebige mechanische Zustände ermöglichen dann die Realisierung neuartiger Interferometer, welche auf Beschleunigungen oder Rotationen empfindlich sind (Investigation 3). Als Beispiel stark räumlich getrennter Zustände sollen Josephson Tunnel-Kontakte untersucht werden, welche mit der verfügbaren Chiptechnologie realisiert werden können. Hier kann kohärente Quantenkontrolle zur Erzeugung nicht-klassischer (z.B gequetschter) Zustände verwendet werden, welche ihrerseits interessant für Interferometer-Anwendungen sind. Der 1D Charakter der Quantengase wird dabei neue statische und dynamische Regime ermöglichen. Im Rahmen dieses Projekts wird der Bewerber seine Erfahrung auf das Gebiet der Atomchips ausdehnen. Die Gruppe in Wien profitiert ihrerseits auf dem Gebiet der kontrollierten Erzeugung von Vibrations- Quantenzuständen, die der Bewerber in deiner Dissertation gesammelt hat.