Chirale Vielteilchen-Quantenoptik in nano-strukturierten Umgebungen

• Antragstellerin: Dr. Beatriz Olmos Sanchez
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452935230

Ein mit dem Strahlungsfeld wechselwirkendes Atom zerfällt in den Grundzustand unter Aussendung eines Photons. Im Falle eines atomaren Ensembles kann sich dieses Verhalten drastisch ändern, da die Emitter kollektiv an das Strahlungsfeld koppeln. Dies führt zu einer dipolaren Wechselwirkung zwischen den Atomen und außerdem dazu, dass Anregungen des Ensembles entweder sehr schnell oder außerordentlich langsam zerfallen. Der Grund für dieses sogenannte super- oder subradiante Verhalten ist konstruktive bzw. d estruktive Interferenz der radiativen Zerfallskanäle. Dieses Phänomen ist bereits seit den Fünfzigerjahren bekann, wurde allerdings erst vor kurzem zweifelsfrei experimentell nachgewiesen.Noch faszinierenderes Verhalten lässt sich in der der Nähe von photonischen Nanostrukturen, wie photonische Kristalle oder Nano-Lichtfasern, beobachten. Diese Strukturen besitzen Moden in denen elektromagnetische Strahlung geführt werden kann. Werden nun die Positionen und die Übergangsdipolmomente der Atome entsprechend ausgerichtet, erfolgt die Emission von Photonen überwiegend in diese lichtführenden Moden. Dieses erlaubt den verlustfreien Transport emittierter Photonen. Weiterhin führt der Austausch virtueller Photonen mittles dieser Moden zu extrem langreichweitigen Wechselwirkungen zwischen den Atomen. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Nano-Lichtfasern, phonotische Kristalle und photonische topologische Isolatoren als experimentelle Platformen für die Implementation von Protokollen für Quanteninformation und -kommunikation.Ziel dieses Forschungsvorhabens ist das Studium des Verhaltens atomarer Ensembles, die an das Strahlungsfeld in der Umgebung photonischer Strukturen gekoppelt sind. Im Einzelnen lauten die Forschungsziele:- Die Entwickung von Strategien zur Verstärkung der Kopplung zwischen Atomen und lichtführenden Moden nanophotonischer Strukturen. Dies ist erforderlich um robuste Anwendungen im Bereich Quanteninformation und Kommunikation zu ermöglichen, u.a. nichtreziproke optische Elemente oder verlustfreien Transport von Quantenzuständen.- Die Behandlung dieser Systeme im bisher kaum untersuchten Bereich starken Treibens. Wir erwarten, dass neue Erkenntnisse, insbesondere zum Zusammenspiel zwischen Treiben und langreichweitiger Wechselwirkung, zur Entwicklung neuer Strategien zur Erzeugung und Erforschung stark korrelierter atomarer Zustände beitragen.- Die Entwicklung eines theoretischen Rahmens zur Beschreibung und Analyse geführter Photonenzustände. Die daraus angeleiteten Erkenntnisse sind von Relevanz für die Entwicklung von Quellen für korrelierte Photonen und nichtklassiche Photonenzustände.Dieses Projekt wird zur Erforschung neuer quantenoptischer Vielteilcheneffekte beitragen und Perspektiven für deren Ausnutzung in technologisch relevanten Anwendungsbereichen aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen