Quantensimulation von Gravitationsphänomenen mittels Analoga in Laborsystemen

• Applicant: Professor Dr. Ralf Schützhold
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2003 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5406613

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war die Untersuchung der Möglichkeit, Gravitationsphänomene mittels geeigneter Analoga im Labor zu simulieren. Dies sollte zu einem besseren (einheitlichen) Verständnis der Gravitationsphänomene und der Labor-Systeme sowie den Analogien zwischen den beiden führen. Obwohl natürlich noch viele Fragen offen bleiben, so sind doch deutliche Fortschritte erreicht worden. Der Einfluss der Dispersionsrelation auf den Hawking-Effekt ist inzwischen recht gut verstanden, was sehr wichtig für die korrekte theoretische Interpretation von bereits durchgeführten und geplanten Experimenten ist. Im Gegensatz dazu sind die Konsequenzen von nichtlinearen Wechselwirkungen (zwischen den Hawking-Quanten) auf den Hawking-Effekt leider noch nicht genau verstanden, aber es gibt bereits erste Schritte in diese Richtung. Neben der Hawking-Strahlung wurden im Rahmen des Projekts auch damit eng verwandte Phänomene – theoretisch und im Hinblick auf Experimente – untersucht, wie z.B. Signaturen des Unruh-Effekts, der Sauter-Schwinger-Effekt oder der dynamischen Casimir-Effekt. Als weiteres Haupt-Thema des Projekts wurde die kosmologische Teilchenerzeugung und der damit zusammenhangende Kibble-Zurek-Mechanismus untersucht. Neben Ionenfallen und Bose-Einstein-Kondensaten kommen dabei als Labor-System interessanterweise auch allgemeinere dynamische Quantenphasenübergänge in Betracht, da die Dynamik der Quasi-Teilchen-Anregungen oft starke Analogien zu einem expandierendem oder kontrahierenden Universum aufweist.

Publications

• Comment on “Quantum Vacuum Contribution to the Momentum of Dielectric Media”, Phys. Rev. Lett. 93, 268901 (2004)
  R. Schutzhold and G. Plunien
  
• Quantum simulation of cosmic inflation in two-component Bose-Einstein condensates, Phys. Rev. A 70, 063615 (2004)
  U. R. Fischer and R. Schutzhold
  
• Resonant Cavity Photon Creation via the Dynamical Casimir Effect, Phys. Rev. Lett. 93, 193601 (2004)
  M. Uhlmann, G. Plunien, R. Schutzhold, and G. Soff
  
• Aspects of Cosmic Inflation in Expanding Bose-Einstein Condensates, New J. Phys. 7, 248 (2005)
  M. Uhlmann, Y. Xu, and R. Schutzhold
  
• Dynamical zero-temperature phase transitions and cosmic inflation/deflation, Phys. Rev. Lett. 95, 135703 (2005)
  R. Schutzhold
  
• Hawking radiation in an electro-magnetic wave-guide?, Phys. Rev. Lett. 95, 031301 (2005)
  R. Schutzhold and W. G. Unruh
  
• On the universality of the Hawking effect, Phys. Rev. D 71, 024028 (2005)
  W. G. Unruh and R. Schutzhold
  
• Detection Scheme for Acoustic Quantum Radiation in Bose-Einstein Condensates, Phys. Rev. Lett. 97, 190405 (2006)
  R. Schutzhold
  
• Signatures of the Unruh effect from electrons accelerated by ultra-strong laser fields, Phys. Rev. Lett. 97, 121302 (2006)
  R. Schutzhold, G. Schaller, and D. Habs
  
• Sweeping from the superfluid to Mott phase in the Bose-Hubbard model, Phys. Rev. Lett. 97, 200601 (2006)
  R. Schutzhold, M. Uhlmann, Y. Xu and U. R. Fischer
  
• Analogue of cosmological particle creation in an ion trap, Phys. Rev. Lett. 99, 201301 (2007)
  R. Schutzhold, M. Uhlmann, L. Petersen, H. Schmitz, A. Friedenauer, and T. Schatz
  
• Quantum toy model for black-hole back-reaction, Phys. Rev. D 76, rapid commun. 101502 (2007)
  C. Maia and R. Schutzhold
  
• Vortex quantum creation and winding number scaling in a quenched spinor Bose gas, Phys. Rev. Lett. 99, 120407 (2007)
  M. Uhlmann, R. Schutzhold, and U. R. Fischer
  
• Dynamical quantum phase transitions, J. Low Temp. Phys. 153, 228 (2008)
  R. Schutzhold
  
• Dynamically Assisted Schwinger Mechanism, Phys. Rev. Lett. 101, 130404 (2008)
  R. Schutzhold, H. Gies, and G. Dunne
  
• Origin of the particles in black hole evaporation, Phys. Rev. D 78, rapid commun. 041504 (2008)
  R. Schutzhold and W. G. Unruh
  
• Table-top creation of entangled multi-keV photon pairs and the Unruh effect, Phys. Rev. Lett. 100, 091301 (2008)
  R. Schutzhold, G. Schaller, and D. Habs
  
• Quantum correlations across the black hole horizon, Phys. Rev. D 81, 124033 (2010)
  R. Schutzhold and W. G. Unruh
  
• Comment on “Hawking Radiation from Ultrashort Laser Pulse Filaments”, Phys. Rev. Lett. 107, 149401 (2011)
  R. Schutzhold and W. G. Unruh
  
• Hawking radiation from “phase horizons” in laser filaments? Phys. Rev. D 86, 064006 (2012)
  W. G. Unruh and R. Schutzhold
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevD.86.064006)