Probing cavity quantum electrodynamics with an atomic Bose-Einstein condensate: many-body theory of atom-surface interaction; high-precision characterization of quantum and thermal field fluctuations near a surface

• Applicant: Professor Dr. Carsten Henkel
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2007 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 34569671

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Wird ein Atom ins elektromagnetische Feld gestellt, verschieben sich seine Energieniveaus, auch wenn keine Photonen vorhanden sind (Vakuum). Befindet sich das Atom in der Nähe einer Oberfläche, so zwingt diese den Vakuum-Fluktuationen des Felds ihre Randbedingungen auf, und die Energieniveaus verschieben sich erneut. Sie hängen von der Position des Atoms relativ zur Oberfläche ab und führen typischerweise dazu, dass Atome eine Kraft in Richtung Oberfläche erfahren. Diese Wechselwirkung ist als van der Waals-Kraft seit langem bekannt und bestimmt für Objekte in der Größe Mikrometer und kleiner, solange sie elektrische neutral sind, die dominanten Kräfte. In Biologie und weicher Materie sind sie bestens bekannt. In der Technik müssen Nano-Maschinen gegen die van der Waals-Anziehung geschätzt werden. Atome können seit zwei Jahrzehten durch Laserkühlung und Bose-Einstein-Kondensation ebenfalls so gut kontrolliert werden, dass sie nur einige Mikrometer vor einer Oberflächen gefangen und manipuliert werden können. Sogenannte Atom-Chips sind kommerziell erhältlich und versprechen etwa portable Atom-Uhren mit hoher Genauigkeit. Die Wechselwirkung zwischen Atomen und Oberflächen wurde Mitte der 2000er Jahre zum ersten Mal auf einer Skala zwischen 1 und 10 Mikrometer vermessen, wobei auch der Einfluss der Temperatur nachgewiesen werden konnte. Dazu wurde eine Art Kraftmikroskop mit einer schwingenden Wolke von Bose-Einstein kondensierten Atomen in einer Mikrofalle aufgebaut. Das jetzt abgeschlossene Forschungsprojekt untersucht theoretisch, was die Atom-Oberflächen-Wechselwirkung in einem Kondensat von einzelnen, isolierten Atomen unterscheidet. Es wurde eine Quanten-Feldtheorie entwickelt, in der ein System aus vielen Atomen als Quantenfeld gleichberechtigt neben dem elektromagnetischen Feld (Photonengas) auftritt. Die Kopplung zwischen den beiden führt in der van der Waals-Wechselwirkung zu geringen Abweichungen relativ zu der naiven Idee, dass jedes Atom einzeln an sein Spiegelbild in der Oberfläche koppelt. Diese Abweichungen hängen mit den räumlichen Korrelationen (delokalisierte Materiewellen) im Bose-Kondensat zusammen. Ein besonders großer Effekt tritt auf, wenn ein elektronisch angeregtes Atom in ein Bose-Kondensat hinein zerfällt: der Zerfall wird durch stimulierte Emission beschleunigt. Wir sagen voraus, dass dieser Effekt mit aktuellen Atom-Chip messbar ist: insbesondere verstärkt er die Anderung der Lebensdauer eines angeregten Atoms vor einer Oberfläche, die vom Abstand abhängt.

Publications

• “Casimir energy of a BEC: from moderate interactions to the ideal gas”. Journal of Physics A 42, 045401 (2009)
  J. Schiefele and C. Henkel
  
• “Bose-Einstein condensate near a surface: Quantum field theory of the Casimir-Polder interaction”. Physical Review A 82, 023605 (2010)
  J. Schiefele and C. Henkel
  
• “Bosonic enhancement of spontaneous emission near an interface”. Physics Letters A 375, 680 (2011)
  J. Schiefele and C. Henkel
  
• “Feynman diagrams for dispersion interactions out of equilibrium – two-body potentials for atoms with initial excitation”. International Journal of Modern Physics A (2012), Proceedings of the QFEXT 2011 conference
  H. R. Haakh, J. Schiefele, and C. Henkel