Einfluss langreichweitiger Wechselwirkungen auf Phasenübergänge in Spin-Boson Modellen

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Slama
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465199066

Das geplante Forschungsvorhaben untersucht die kollektiven Wechselwirkungen ultrakalter Rubidium Atome in einem optischen Ringresonator hoher Finesse, kombiniert mit Rydberg-Wechselwirkungen. Das Zusammenspiel dieser beiden Effekte – die auf verschiedenen Längenskalen wirken – führt zu neuartigen Vielteilchen-Wechselwirkungen, die in diesem Projekt maßgeschneidert, charakterisiert und untersucht werden sollen. Die Atome werden in einem Array optischer Pinzetten innerhalb des Modenvolumens des Resonators gefangen, wodurch sich ihr Abstand und somit die Stärke der Rydberg-Wechselwirkungen präzise kontrollieren lässt. Die Kopplung zwischen dem atomaren Grundzustand und den Rydberg-Zuständen erfolgt über einen Zwei-Photonen-Übergang. Eine besondere Eigenschaft des vorliegenden Experiments besteht darin, dass beide Lichtfelder, die diesen Übergang antreiben, durch die Resonatormode resonant verstärkt werden. Auf dem unteren Übergang erreichen wir das Regime hoher Kooperativität mit einzelnen Atomen, während die Verstärkung auf dem oberen Übergang extrem hohe Rabifrequenzen im Bereich mehrerer hundert Megahertz ermöglicht. Aufgrund der starken Kopplung auf dem unteren Übergang hängt der Anregungsprozess vom Spin-Zustand der Atome im Resonator ab. Diesen Effekt werden wir nutzen, um die Rückwirkungen bereits vorhandener Rydberg-Anregungen - vermittelt durch Rückkopplung über das Lichtfeld im Resonator - auf die Anregung weiterer Rydberg Atome zu untersuchen. Ziel ist es, nichtlokale kollektive Rydberg-Anregungen durch sogenannte nonlocal facilitation zu erzeugen und die Anzahl der angeregten Atome kontrolliert zu steuern. Darüber hinaus werden wir langreichweitige Wechselwirkungen zwischen Atomen im Grund- und Rydberg-Zustand erzeugen, vermittelt durch das Lichtfeld des Resonators. Diese Wechselwirkungen lassen sich durch ein XY-Model beschreiben. Ziel ist es, Rydberg-Anregungen über große Distanzen im Resonator durch Flip-flop-Prozesse zu übertragen. Diese Prozesse werden wir experimentell nachweisen, untersuchen und gezielt optimieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5413: Quantenspinsysteme mit langreichweitigen Wechselwirkungen: Experiment, Theorie und Mathematik
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Beatriz Olmos Sanchez
• Kooperationspartner: Professor Dr. Philippe Courteille