Quantenkohärenz in Vielteilchen-Interferometern und nanomechanischen Resonatoren
Final Report Abstract
In unserem Emmy-Noether Projekt ging es darum, die Effekte der Quantenphysik in zwei verschiedenen Arten von Systemen zu analysieren: Interferometer und nano-mechanische Resonatoren. Interferenz ist das wichtigste Phänomen, das bei Wellen beobachtet werden kann, gleich, ob es sich um Wasserwellen, Lichtwellen oder Materiewellen handelt. In der modernen Quantenphysik kann das genaue Studium der Interferenz dazu dienen, den Einfluss kleinster Störungen zu beobachten. Zum Beispiel sorgt die Coulombkraft zwischen Elektronen dafür, dass die Materiewellen der einzelnen Elektronen nicht mehr ungestört Interferenz zeigen. Heutzutage ist es möglich, gezielt Interferometer für Elektronen auf dem Chip zu realisieren und ihre Interferenz z.B. durch ein starkes Magnetfeld zu kontrollieren. Im Rahmen dieses Projekts haben wir studiert, wie in solchen Interferometern die Kräfte zwischen den Elektronen die Interferenz zerstören: der Kontrast des Interferenzmusters klingt ab, wenn die Elektronen größere Distanzen durchlaufen. In einem experimentell wichtigen System fanden wir dabei überraschenderweise, dass dies auf eine universelle Weise geschehen kann, in der die Stärke der Wechselwirkung für die wichtigsten Aspekte des Verhaltens keine Rolle spielt. Nicht nur Elektronen, sondern auch Atome zeigen Interferenz von Materiewellen. Wenn zwei Wolken von kalten Atomen durch Magnetfelder in der Schwebe gehalten werden, können sie dazu gebracht werden, zu interferieren. Solche Experimente finden zum Beispiel in Wien in der Gruppe von Jörg Schmiedmayer statt. Auch hier spielt die Wechselwirkung zwischen den Atomen eine wichtige Rolle, wenngleich sie nicht unbedingt das Experiment stört, sondern die Atomwolken sogar robuster macht. Wir haben in unserer theoretischen Analyse herausgefunden, was passiert, wenn die Atomwolken ganz plötzlich zum Überlapp gebracht werden, um Interferenz zu zeigen. Es stellte sich heraus, dass sich dann spontan Strukturen im Interferenzmuster herausbilden, die im Laufe der Zeit entstehen und wieder vergehen. Diese lokalisierten Strukturen wachsen aus den winzigen Quantenfluktuationen (den sogenannten Nullpunktfluktuationen), welche anfangs vorhanden sind. Dieses Phänomen ist ganz analog der Art und Weise, wie im Frühstadium des Universums aus Quantenfluktuationen sich Strukturen gebildet haben, welche sich später unter dem Einfluss der Gravitation zu den Galaxien verdichtet haben, die man heutzutage sieht. In diesem Sinne können kalte Atome dazu dienen, Grundfragen der Kosmologie im Labor zu simulieren. Erst seit kurzem ist es möglich geworden, Quanteneffekte auch in der mechanischen Bewegung von kleinen, auf dem Chip fabrizierten mechanischen Resonatoren zu beobachten. Verschiedene Möglichkeiten existieren, diese mechanische Bewegung zu steuern. Eine besonders vielversprechende besteht darin, den Strahlungsdruck des Lichtes auszunutzen. Dieses Feld, welches sich erst seit ca. 2006 rapide entwickelt hat, wird auch “Optomechanik” genannt. Das typische System besteht aus einem optischen Hohlraum (einer “optischen Kavität”) mit einem beweglichen Spiegel. Wenn die Kavität durch einen Laser beleuchtet wird, dann erzeugen die Photonen, welche sich innerhalb der Kavität ansammeln, einen Druck auf den Spiegel, der sich daraufhin zu bewegen beginnt. Das Interesse an diesem Feld ist groß, weil es verschiedene vielversprechende Forschungsrichtungen gibt, die untersucht werden können. Dazu zählen fundamentale Fragestellungen, wie die Erzeugung von “makroskopischen” quantenmechanischen Überlagerungszuständen, in denen die eigentlich nur aus der mikroskopischen Welt bekannten merkwürdigen Effekte der Quantenphysik auch für große Teilchen (wie einen Spiegel) beobachtet werden könnten. Weiterhin kann das Licht verwendet werden, um hochsensitive Messungen von Ort, Kraft, Masse und Beschleunigung durchzuführen. Und schließlich kann die Optomechanik zur Quanteninformationsverarbeitung und -kommunikation beitragen. Zum Beispiel sollte es mit ihrer Hilfe möglich werden, optische Photonen kohärent in Mikrowellenphotonen umzuwandeln (und umgekehrt). In unserer Arbeit in diesem Bereich der Optomechanik haben wir z.B. vorhergesagt, wie im Prinzip die quantisierte Energie eines mechanischen Oszillators gemessen werden könnte. Wenn diese Idee (bei weiterer Verbesserung der experimentellen Parameter) realisiert wird, dann würde man Quantensprünge zwischen den einzelnen Energieniveaus auflösen können. Diese stark quantenmechanischen Effekte sind momentan noch sehr schwach, so dass wir uns in einigen weiteren Arbeiten damit befasst haben, wie die Effekte durch eine trickreiche Optimierung des Systems verstärkt werden könnten. Ein aktuell sehr vielversprechender Ansatz in dem Feld der Optomechanik besteht darin, das Licht in Glasgittern (sogenannten photonischen Kristallen) zu fangen, so dass es dort einen starken Einfluss auf die mechanischen Schwingungen ausübt. Solche Gitter können beliebig strukturiert werden. Dadurch wird es in Zukunft möglich werden, viele optomechanische Oszillatoren auf kleinstem Raum zu erzeugen. Wenn diese gekoppelt werden, kann man kollektive Effekte beobachten, wie zum Beispiel Synchronisation von mechanischen Schwingungen, welche wir in diesem Kontext zum ersten Mal vorhergesagt und studiert haben. Das Projekt war recht erfolgreich, besonders im Hinblick auf das Thema der Optomechanik, welches sich in diesen Jahren zu einem sehr aktiven Forschungsgebiet entwickelt hat. Die Arbeiten zur Optomechanik im Rahmen dieses Emmy-Noether-Projektes waren die Grundlage für den Walter-Schottky Preis der DPG im Jahr 2009. Im Jahr 2011 habe ich auf der Grundlage der im Emmy-Noether Projekt erzielten Resultate einen ERC Starting Grant eingeworben, der dazu dient, die Arbeiten zur Optomechanik weiterzufüh-ren, mit dem Schwerpunkt auf Gitter und Schaltkreise aus vielen gekoppelten optischen und mechanischen Moden (“Optomechanical Circuits”).
Publications
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“Self-Induced Oscillations in an Optomechanical System driven by Bolometric Backaction”, Phys. Rev. Lett. 101, 133903 (2008)
Constanze Metzger, Max Ludwig, Clemens Neuenhahn, Alexander Ortlieb, Ivan Favero, Khaled Karrai, and Florian Marquardt
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“Strong dispersive coupling of a high finesse cavity to a micromechanical membrane”, Nature 452, 72 (2008)
J. D. Thompson, B. M. Zwickl, A. M. Jayich, F. Marquardt, S. M. Girvin, and J. G. E. Harris
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“The optomechanical instability in the quantum regime”, New Journal of Physics 10, 095013 (2008)
M. Ludwig, B. Kubala, and F. Marquardt
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“Universal Dephasing in a Chiral 1D Interacting Fermion System”, Physical Review Letters 102, 046806 (2009)
Clemens Neuenhahn and Florian Marquardt
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“Introduction to Quantum Noise, Measurement and Amplification”, Rev. Mod. Phys. 82, 1155 (2010)
A. A. Clerk, M. H. Devoret, S. M. Girvin, F. Marquardt, and R. J. Schoelkopf
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“Enhanced Quantum Nonlinearities in a Two-Mode Optomechanical System”, Phys. Rev. Lett. 109, 063601 (2012)
Max Ludwig, Amir H. Safavi-Naeini, Oskar Painter and Florian Marquardt
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“Localized phase structures growing out of quantum fluctuations in a quench of tunnel-coupled atomic condensates”, Phys. Rev. Lett. 109, 085304 (2012)
Clemens Neuenhahn, Anatoli Polkovnikov and Florian Marquardt
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“Quantum Signatures of the Optomechanical Instability”, Phys. Rev. Lett. 109, 253601 (2012)
Jiang Qian, Aashish Clerk, Klemens Hammerer, and Florian Marquardt
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“Thermalization of Interacting Fermions and Delocalization in Fock space”, Phys. Rev. E 85, 060101(R) (2012)
Clemens Neuenhahn and Florian Marquardt
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“Quantum many-body dynamics in optomechanical arrays”, Phys. Rev. Lett. 111, 073603 (2013)
Max Ludwig and Florian Marquardt
