Quanten-Ladungstransport trifft Quantenoptik: Josephson-Photonik mit starker Ladungs-Licht Kopplung Spezifisch für den Fortsetzungsantrag: Starke Ladungs-Licht Kopplung in der Josephson Photonik: Multi-Photon-Resonanzen, Quantenlocking und -synchronisierung

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Ankerhold
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459903924

Photonik und Quantenelektronik gehören gegenwärtig zu den sich am schnellsten entwickelnden Feldern der Physik aufgrund ihrer überragenden Bedeutung für zukünftige Informationsverarbeitung, Kommunikation und Sensorik. In diesen Feldern spielen zwei der fundamentalsten Quanten in der Natur eine Rolle, nämlich Photonen und Ladungsträger, beide verknüpft durch die Theorie der Quanten- Elektrodynamik. In den letzten Jahren ist ein interdisziplinäres Forschungsgebiet entstanden, welches die Quantenoptik von Quanten-Stromleitern untersucht. Damit erwachsen neue Möglichkeiten bei der Erzeugung und Kontrolle von Quanten- Mikrowellen durch Quantenelektronik. Besonders leistungsfähig sind Schaltkreise, die auf den Schlüsselkomponenten superleitender Quantenelektronik basieren, durch Gleichspannung getriebene Josephson-Kontakte und Mikrowellen-Resonatoren. Diese erlauben das Regime der starken Ladungs-Licht Wechselwirkung in Kombination mit einer perfekten Konversion von elektrischer in photonische Energie zu realisieren. In der ersten Förderperiode (2017-2021) und in enger Kollaboration mit unseren französischen Partnern an der CEA Saclay konnten wir dieses neue Feld der Josephson Photonik substantiell weiter entwickeln. Hochintensive, flexible Quellen für einzelne (anti-bunched) und verschränkte (entangled) Mikrowellen-Photonen wurden beschrieben und realisiert und fundamentale Eigenschaften im Hoch-Impedanz-Regime jenseits des Widerstands-Quantums erforscht. Allerdings leiden mögliche technologische Anwendungen noch an einem wesentlichen Manko, nämlich der Phasendiffusion durch niederfrequentes Spannungsrauschen. Das Ziel dieses Fortsetzungsprojekts ist es, dieses Problem zu lösen und zwar in dem Regime sehr starker Ladungs-Licht Kopplung (effektive Feinstruktur-Konstante von Ordnung 1), in dem erste experimentelle Daten die Existenz von Multi-Photon-Resonanzen mit bis zu neun Photonen zeigen. Das eröffnet nicht nur faszinierende neue Möglichkeiten des ‚Engineerings‘ von Quanten-Mikrowellenstrahlung, sondern erschließt auch Wege, neue Physik zu untersuchen, nämlich die Phasenstabilisierung im Quantenregime (Quanten-Locking), einem Regime, in dem Quanten-Phasensprünge auftreten, die experimentell beobachtbar sein sollten. In Verallgemeinerung werden wir Netzwerke von elementaren Bausteinen der Josephson Photonik betrachten, um Quanteneigenschaften der Synchronisierung aufzudecken mit der Aussicht, phasen-synchronisierte THz-Strahlungsquellen hoher Intensität zu entwickeln. Wesentlicher Teil des Arbeitsprogramms wird die Fortsetzung der fruchtbaren und erfolgreichen Kollaboration mit unseren experimentellen Partnern an der CEA/Saclay sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Großbritannien
• Mitverantwortlich: Dr. Ciprian Padurariu
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrew Armour; Dr. Daniel Esteve