Optisches Speichern von Coulomb Kristallen und Atomen

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Schätz
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501849855

Die Präparation, Kontrolle und Messung eines Zustands und seiner Dynamik in komplexen Vielkörpersystemen ist ein zentrales Thema der modernen Quantenphysik. Neue Perspektiven für Quanten-Sensorik, -Metrologie und experimentelle Quantensimulationen werden eröffnet, insbesondere durch Fortschritte bei gefangenen Atomen und Ionen. Hierfür sind höchste Präzision, sowie extreme räumliche und zeitliche Auflösung verantwortlich.Bahnbrechende Arbeiten ermöglichen es zudem, die externen/vibrationellen und internen/elektronischen Freiheitsgrade von Ionen kohärent zu steuern und mit einzigartiger Güte zu koppeln. Parallel wurden vielseitige Fallenpotentiallandschaften geschaffen, z.B. durch optische Gitter und Bessel-Strahlen, die Atomensembles bei niedrigsten Temperaturen erlauben. Nun hat die Kombination von Atomen, Ionen und deren Wechselwirkung zu wegweisenden Ideen und Resultaten in Hybridfallen geführt. In diesen werden Ionen von konventionellen Radiofrequenz(RF)-Fallen gefangen und in ultrakalte atomare Gase eingetaucht. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Ionen zwangsläufig auf kinetische Energien getrieben werden, die die Temperatur des Atombades um mehrere Größenordnungen übersteigen. Hier führen die RF-Felder zu fundamentalen Limitierungen, da kleinste Verschiebungen vom Fallenzentrum eine RF-getriebene Bewegung erzwingen; sei es durch die Wechselwirkung mit Atomen oder durch die Positionierung in höherdimensionalen Coulomb-Kristallen (CK). Unsere Gruppe etablierte auch deshalb rein optische Ionenfallen und demonstrierte sympathische Kühlung. Während unser Ansatz noch einzigartig ist, erbitten wir einen Quantensprung durch die kohärente Kontrolle der Ionenfreiheitsgrade. Zudem gelang es und kürzlich die Ion-Atom-Wechselwirkung erstmalig über Feshbach-Resonanzen zu kontrollieren, um auch höherdimensionale CK im Quantenregime zu ermöglichen.In variablen Potentiallandschaften (z.B. in nicht-divergenten Bessel-Lichtzylindern) möchten wir die Vorhersagen zur Entstehung von Verschränkung bei Quantenphasenübergänge studieren: CK können sich über strukturelle Phasenübergänge hinweg wandeln, wobei sie ihre lineare- (|•••⟩: für 3 Ionen) zu einer zickzack-Struktur (|•°•⟩) ändern. Idealerweise führt dies zu einem verschränkten Zustand (|•°•⟩ + |°•°⟩) der entarteten Konfigurationen. Da der optische Einschluss abhängig vom elektronischen Zustand ist, werden nun die Ionen in einer kohärenten Überlagerung zweier Zustände präpariert. Hierfür wird vorausgesagt, dass ein verschränkter Zustand (|•••⟩ + (|•°•⟩ + |°•°⟩)) den kritischen Punkt überbrücken könnte.Die ultimative Steuerung dynamischer Pfade und Messung von Quantensignaturen, hier beginnend auf der Ebene weniger Teilchen, sollte die „Skalierung“ Quant um Quant ermöglichen. Atome und CK in optischen Fallen könnten zu relevanten Fortschritten in der deterministischen Kontrolle von Quantensystemen führen, die in Größe, Dimension und Komplexität erweiterbar wären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen, Singapur
• Kooperationspartner: Professor Murray Barrett; Professor Dr. Michal Tomza