Starke Kollektive Effekte in Maser Oszillatoren

• Antragsteller: Dr. Christoph Zollitsch
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550083266

Mein Projekt zielt darauf ab, die festkörperbasierte Maser Forschung (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) voranzutreiben, indem die inhärenten kollektiven Vielteilcheneffekte des Masers genutzt werden. Ein großes Ensemble von Emittern, die alle stark an eine Resonatormode gekoppelt sind, kann zu einem Superradianzeffekt führen, bei dem die einzelnen Emitter beginnen, sich zu synchronisieren. Dies führt zu einer stärkeren Emission sowie einer erhöhten Kohärenz der Emission, was spektral einer größeren Intensität und einer ultraschmalen Linienbreite entspricht. Ich habe vor, in dieses Regime mit einem Maser zu erreichen, der auf NV-Zentren in Diamant bei Raumtemperatur basiert. Dies ermöglicht die experimentelle Realisierung eines superradianten Masers mit einer ultraschmalen spektralen Linienbreite, der sich ideal für einen mikrowellenbasierten Frequenzstandard oder hochempfindliche Sensoren eignet. Darüber hinaus ist es möglich durch die Einführung einer dissipativen Komponente in ein System mit starken kollektiven Effekten Verschränkung zu erzeugen. Die starke kollektive Wechselwirkung zwischen einem Resonator und einem Ensemble von Spins zeigt kohärente Rabi-Oszillationen zwischen der Resonatormode und einem maximal verschränkten Dicke-Zustand im Spin-Ensemble. Die Rabi-Oszillation verhindert dabei die Nutzung dieser Verschränkung. Eine dissipative Wechselwirkungskomponente kann jedoch die Rabi-Oszillationen unterdrücken und das System in einem kontinuierlichen Verschränkungszustand belassen, auf den leichter zugegriffen werden kann. Abschließend werde ich in meinem Projekt den Grundstein für eine mehr alltagsorientierte Maser-Anwendung legen, indem ich den sperrigen laborbasierten Maser-Aufbau in eine tragbare Version integriere. Dies wird den Maser als vielseitigen Kandidaten für Zeitmessung, Sensorik und Quantentechnologien etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen