Kollektive Strahlungseffekte in komplexen bosonischen Bädern

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Rabl
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561288511

Superradianz beschreibt die kollektiv verstärkte Emission von Quantenemittern, die an ein gemeinsames photonisches Reservoir gekoppelt sind. Zusammen mit ihrem Gegenstück, der subradianten Unterdrückung des Strahlungszerfalls, stellt dieser Effekt ein prototypisches Beispiel für Bad-induzierte Korrelationen in offenen Quantensystemen dar. Super- und Subradianz wurden bereits mit Atomen und Festkörpersystemen im freien Raum, in Resonatoren und in eindimensionalen photonischen Wellenleitern experimentell untersucht. In diesem Projekt gehen wir über diese konventionellen Szenarien hinaus und untersuchen die kollektive Strahlung von Emittern, die an komplexe bosonische Bäder gekoppelt sind, einschließlich ausgedehnter Netzwerke mit nicht-Markovschen Retardierungseffekten, photonischen Quanten-Hall-Systemen mit synthetischen Magnetfeldern und chaotischen Kavitäten. Diese Szenarien sind durch aktuelle Experimente mit nanophotonischen Strukturen, supraleitenden Mikrowellenresonatoren und phononischen Wellenleitern motiviert und zeichnen sich dadurch aus, dass das Reservoir selbst eine hochkomplexe Dynamik aufweist. Daraus ergibt sich die interessante Frage, wie sich die kollektiven Korrelationen zwischen den Emittern, die für Super- und Subradianz verantwortlich sind, unter diesen Bedingungen entwickeln. Die zentrale theoretische Herausforderung bei der Beantwortung dieser Frage besteht darin, dass die Dynamik des Reservoirs nicht mehr, wie in konventionellen offenen Quantensystemen, eliminiert werden kann. In diesem binationalen Projekt werden wir deshalb die existierende Expertise unserer Forschungsgruppen in Deutschland und Israel vereinen, um effizientere numerische Werkzeuge und neue analytische Ansätze zu entwickeln. Dadurch wird es uns möglich, kollektive Strahlungseffekte in verschiedenen komplexen Umgebungen zu modellieren und ein tieferes und weitreichenderes Verständnis für diese fundamentalen physikalischen Prozesse zu gewinnen. Insbesondere werden wir die Dynamik von Super- und Subradianz in photonischen Netzwerken mit Retardierungseffekten, in topologisch nichttrivialen und chaotischen bosonischen Reservoirs sowie in Bädern mit bereits bestehenden photonischen Korrelationen untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf möglichen experimentellen Beobachtungen der vorhergesagten Effekte im Kontext von Circuit-QED und mit Spin-Qubits in phononischen Nanostrukturen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Partnerorganisation: The Israel Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander Poddubny, Ph.D.