QED im Bereich starker Kopplung in mesoskopischen Punktkontakten

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Ankerhold; Professor Dr. Fabian Hassler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505496456

Die Quantenelektrodynamik (QED), die die niederenergetische Physik um uns herum beschreibt, erfasst die Wechselwirkung von Materie (Elektronen) und elektromagnetischem Feld (Photonen). Im Vakuum ist die Kopplung zwischen Elektronen und Photonen aufgrund der kleinen Feinstrukturkonstante nur schwach, jedoch haben die Cavity-QED (CQED) und kürzlich auch die circuit-QED (cQED) zu einem noch nie dagewesenen Maß an Kontrolle über Quantenzustände geführt. Während die bloße Elektron-Photon Wechselwirkung schwach bleibt, wird kohärente Kopplung erreicht, indem Resonatoren hoher Güte verwendet werden, so dass "Materie" und "Lichtfeld" hybridisieren. Gegenwärtig stehen zwei große Herausforderungen der Physik der Atome und der kondensierten Materie im Vordergrund: Zum einen die maßgeschneiderte Realisierung starker Materie-Licht-Kopplung „in der Materie“ und zum anderen die Erforschung stark korrelierter Vielteilchensysteme. Mesoskopische Festkörperschaltkreise ermöglichen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften die simultane Untersuchung sowohl starker Licht-Materie-Kopplung als auch starken Vielteilchenkorrelationen: Elektron-Elektron-Korrelationen existieren von Natur aus und können abgestimmt werden, z. B. durch Abstimmung der Transmission kohärenter Leiter, und Licht-Ladungs-Wechselwirkungen können durch das Design von Schaltkreisen effektive Feinstrukturkonstanten in der Größenordnung von 1 erreichen. Das Hauptziel dieses Projekts besteht darin, einen neuen Bereich der QED zu untersuchen, nämlich Quantenschaltkreise im Nichtgleichgewicht bei starker Ladungs-Licht-Wechselwirkung und starken Vielteilchen-Korrelationen. Um dieses anspruchsvolle Ziel zu erreichen, werden wir uns auf Schaltkreise konzentrieren, die Vielteilchenkomplexität mit konzeptioneller Einfachheit verbinden, nämlich Quantenpunktkontakte (QPCs) und supraleitende Punktkontakte (SPCs). Beide Systeme bieten eine exquisite Kontrolle über die Streuung von Ladungsträgern auf Einzelkanalebene, was die Abstimmung der Streuungsamplituden vom bekannten Tunnelregime bis zum stark korrelierten Regime perfekt leitender Kanäle ermöglicht. Auf diese Weise werden Korrelationen zwischen Elektronen (QPC) bzw. Cooper-Paaren (SPC) realisiert. Wir verfolgen zwei Richtungen: einmal werden Punktkontakte an optimierte Hochfrequenzschaltungen (HF) gekoppelt, die einen effizienten Nachweis der nach Streuung emittierten Photonen ermöglichen; zum anderen werden wir HF-schaltungen hoher Impedanz eingesetzt, um starke QED-Kopplung zu erzielen, die zur Emission von Multi-Photonen und starkem Feedback führt. Theoretische Modellierung und Beschreibungen sind integrale Bestandteile dieses Vorhabens. Dieses binationale Projekt vereint die komplementäre Expertise zweier experimenteller und zweier theoretischer Gruppen und bietet ein einzigartiges Umfeld, um ein sehr aktuelles und höchst anspruchsvolles Forschungsthema anzugehen, das auch jenseits der mesoskopischen Festkörper hinaus von Bedeutung ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Carles Altimiras; Dr. Caglar Girit