Quantenvielteilchendynamik von Materie und Licht in Resonator-QED

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Giovanna Morigi; Professor Francesco Piazza, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525057097

Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist ein tieferes Verständnis der Quantendynamik von Vielteilchensystemen durch die Untersuchung von ultrakalten Atomen, die an Licht in einem optischen Resonator hoher Finesse gekoppelt sind. Dieses Modellsystem bietet ein beispielloses Maß an Kontrolle von Kräften, Wechselwirkungen und Dissipation zusammen mit präziser Beobachtbarkeit in Echtzeit. Wir werden bestehende Paradigmen testen sowie neue theoretische Modelle entwickeln und vergleichen. In einer Kollaboration der drei beteiligten theoretischen Arbeitsgruppen, zwei in Deutschland (MPIPKS und Universität Saarbrücken) und eine in Österreich (Universität Innsbruck), vereinen sich Expertise aus Quantenoptik, Atomphysik und Vielteilchentheorie sowie statistischer Physik. Die zugehörigen Experimente werden von zwei Schweizer Gruppen an der ETHZ und der EPFL durchgeführt. Zusammengenommen repräsentieren diese beiden Gruppen derzeit mehr als ein Drittel der Experimente mit ultrakalten Quantengase in optischen Resonatoren weltweit, und ergänzen sich sowohl bezüglich der Quantenstatistik (bosonische vs fermionische Atome), als auch wegen ihrer charakteristischen Zeitskalen und atomaren Wechselwirkungsarten. Das Projekt zielt insbesondere darauf ab, Metastabilität von Quantenzuständen zu untersuchen, die aus der Konkurrenz zwischen verschiedenen Wechselwirkungstypen entstehen kann, oder aus Einschränkungen wie der Eichinvarianz, oder aus der Tendenz des Systems, lokalisierte Zustände in der Form von selbstgebundenen Tröpfchen zu bilden. Eine zentrale Rolle bei den Untersuchungen spielen Antrieb und Dissipation, nicht nur bei der Modifizierung der eben erwähnten Szenarien, sondern auch bei der Schaffung neuer stabiler, aber auch nicht stationärer Vielteilchenzustände. Darüber hinaus kann die hohlrauminduzierte Dissipation eine Ressource zur Reduzierung der Entropie und zur Verbesserung von Quantenalgorithmen wie der Optimierung sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF); Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Professor Jean-Philippe Brantut; Dr. Tobias Donner; Professor Dr. Helmut Ritsch