Servicenavigation

Detailseite

Zurück

Projekt Druckansicht

Kollektive optische Effekte ultrakalter Rydbergatome in optischen Resonatoren

Fachliche Zuordnung Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung Förderung von 2019 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422447846
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Vielteilchensysteme mit Wechselwirkung sind paradigmatisch für eine Vielzahl von Beispielen in unterschiedlichen Bereichen der Natur und des Lebens. In diesen Beispielen kommt es zu Effekten wie Strukturbildung, Synchronisation und Phasenübergängen, die sich nur durch das kollektive Zusammenwirken der einzelnen Teile des Systems erklären lassen. Die Synchronisation sogenannter „pacemaker cells“ ist zum Beispiel entscheidend für die Ausbildung eines regelmäßigen Herzschlags. Eine kleine Änderung der Wechselwirkung zwischen den Zellen, z.B. durch Ausschüttung von Adrenalin, beeinflusst die Frequenz des Herzschlags. Bei zu großen Änderungen findet ein Phasenübergang zum Herzkammerflimmern statt. Es ist daher relevant, die Mechanismen in diesen Systemen genau zu verstehen. Das Projekt untersucht kollektive Effekte an einem Modellsystem, bestehend aus kalten Atomen, die durch das Lichtfeld in einem optischen Resonator wechselwirken. In diesem Modellsystem wurde von verschiedenen Forschungsgruppen untersucht, wie die Atome in ihrer Bewegung synchronisieren, wie spontane Dichte- und Spingitter entstehen, und unter welchen Voraussetzungen Phasenübergänge auftreten. Hierbei wurden die Atome meist als effektive Zweiniveausysteme beschrieben, und die Wechselwirkung war global. Zweiteres bedeutet, dass die Lichtmode im Resonator weit entfernte Atome gleich stark koppelt, wie nah benachbarte Atome. In den meisten realen Systemen fällt die Wechselwirkung für große Abstände hingegen ab. Das Projekt geht über diese Restriktionen hinaus und berücksichtigt sowohl mehrfach entartete Grundzustände mit jeweils verschiedener Kopplungsstärke, als auch die Anregung der Atome in Rydberg Zustände. Rydberg Atome haben die Eigenschaft, dass sie durch abstandsabhängige Potenziale miteinander wechselwirken. Das Projekt konnte klären, wie sich die abstandsabhängige Wechselwirkung auf das kollektive Verhalten der Atome bei der Superradianz auswirkt. Hierbei emittieren die Atome normalerweise global und kollektiv Licht. Die Rydberg-Wechselwirkung führt je nach Abstand der Atome zu einer Dephasierung und schwächt die Superradianz ab. Die Ergebnisse klären die Frage, warum in manchen Experimenten mit kleiner Rydberg Atomdichte Superradianz beobachtet wurde, und in anderen Experimenten mit höheren Dichten nicht. Das Projekt hat darüber hinaus entdeckt, dass die Existenz von mehreren Grundzuständen zu einer neuartigen Nichtlinearität führt: Es wurde ein Phasenübergang identifiziert von einer symmetrischen Phase zu einer Phase mit Symmetriebrechung, in welcher die Besetzung der Grundzustände mehrere stabile Gleichgewichte aufweist. Dies ist relevant, da diese Phase zur Mustererkennung genutzt werden kann, ähnlich wie in einem neuronalen Netzwerk. Kleine Unterschiede im Muster der Grundzustandsbesetzung werden hierbei verstärkt und auf einen von mehreren möglichen Ausgangszuständen abgebildet. Das Muster kann dann durch das aus dem Resonator emittierte Licht identifiziert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

Zusatzinformationen

© 2026 DFG Kontakt / Impressum / Datenschutz

Textvergrößerung und Kontrastanpassung