Cavity QED mit zweidimensionalen Quantenmagneten

• Antragsteller: Dr. Lukas Weber
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503774589

Jüngste Fortschritte in der Herstellung hochreflektiver elektromagnetischer Kavitäten haben es möglich gemacht die effektive Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf ein Vielfaches ihres Vakuumwertes zu verstärken. Während der Effekt einer solchen starken Licht-Materie-Kopplung auf atomare Systeme bereits im Bereich der Quantenoptik eingehend untersucht wurde, wird heutzutage immer mehr das Potential der “Cavity-Quantenelektrodynamik” im Bereich der kondensierten Materie erkannt. Hier können Photonen in der Kavität insbesondere genutzt werden um Materialeigenschaften zu ändern und neue Materiezustände zu stabilisieren.Das Hauptziel dieses Projekt ist es, die Effekte einer starken Licht-Materie-Wechselwirkung auf Materialien zu verstehen, die selbst bereits über starke Elektron-Elektron-Wechselwirkung verfügen. Als ein Beispiel dafür werde ich Quantenmagnete betrachten, in denen die elektronischen Ladungen aufgrund der Coulomb-Abstoßung unbeweglich sind und lediglich die Spins der Elektronen miteinander interagieren. Trotz dieser reduzierten Anzahl an Freiheitsgraden zeigen Quantenmagnete ein ausgedehntes Spektrum stark korrelierter Physik von spontaner Symmetriebrechung bis zu topologischer Ordnung. Teil dieses Spektrums sind insbesondere quantenkritische Punkte, die dadurch charaktisiert sind, dass die Suszeptibilität des Systems gegenüber bestimmten äußeren Einflüssen, z.B. ein externes Magnetfeld oder Druck, divergiert.In diesem Projekt ist dieser äußere Einfluss auf den quantenkritischen Magnet durch eine Kopplung zu Photonen in einer Kavität gegeben, was starke Korrelationen zwischen beiden Teilsystemen begünstigt. Mittels verschiedener mikroskopischer Modelle von Quantenmagneten werde ich das Wechselspiel zwischen Photonen und Spins unter drei Gesichtspunkten untersuchen. Diese sind erstens der Effekt der Photonen auf das magnetische Phasendiagram, zweitens wiederum der Einfluss der magnetischen Korrelationen auf die Photonen und drittens mögliche stark verschränkte Zustände zwischen Licht und Materie, die sich in diesem stark wechselwirkenden System ergeben können.Als Erweiterung dieser Fragestellung werde ich nach realistischen Modellen für diese Phänomene suchen, um Möglichkeiten aufzuzeigen diese auch im Experiment zu beobachten. Außerdem werde ich den Effekt einer leicht getriebenen Kavität betrachten.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Ángel Rubio