Das Konzept der Komplexität bezieht sich auf ein System, das sich aus vielen Komponenten zusammensetzt, deren Wechselwirkungen zu kollektivem Verhalten und emergenten Eigenschaften führen, die sich nicht allein aus den mikroskopischen Merkmalen der Komponenten verstehen lassen. Solche emergenten Phänomene gibt es in Hülle und Fülle, und die Natur ist voll von Beispielen der Selbstorganisation, vom Vogelschwarm bis zur Entstehung der Galaxien in unserem Universum. Dementsprechend sind komplexe Quantensysteme Vielteilchensysteme, deren mikroskopische Bausteine den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen. Hier können Quanteneffekte wie Interferenz, Verschränkung oder Quantentunnelung zu faszinierenden makroskopischen Phänomenen führen, wie z. B. dem Auftreten von Laserlicht oder dem Auftreten von Suprafluidität in einer Flüssigkeit.

Innerhalb unserer Forschungsgruppe versuchen wir, neue Konzepte für die Realisierung, Steuerung und Messung komplexer Quantendynamik in hybriden Quantensystemen aus Licht und Materie zu entwickeln.

Artistische Abbildung des Überganges von Superfluid zu Supersolid

Nicht alle Eigenschaften der Materie lassen sich rein durch die klassische Physik in Form von Teilchen beschreiben, die den Newtonschen Gesetzen folgen. Zum Beispiel kann man Atome heutzutage auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen, wo sie ihren klassischen Charakter verlieren und sich stattdessen wie Elektronen in einem Festkörper verhalten oder eine Quantenflüssigkeit, ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, bilden. Unsere immer weiter fortschreitende Fähigkeit, solche ultrakalten Atome zu kontrollieren, hat ein breites Spektrum an Grundlagenforschung ermöglicht und bildet das Rückgrat für die Entwicklung von Quantentechnologien, Quantensimulationen, Quantencomputern und quantengestützter Sensorik. In unserer Forschung untersuchen wir die Erzeugung und Kontrolle atomarer Wechselwirkungen durch externe Felder oder Laserlicht und erforschen ihre faszinierende und oft überraschende Auswirkungen auf die Eigenschaften dieser kalten Quantenmaterie.

Eine Quanten-Flüssigkeit aus Teilchen mit Dipol-Dipol-Wechselwirkungen kann bei Temperaturerhöhung einen so genannten Superfestkörper bilden, d. h. sie kann durch Erhitzen kristallisieren (Nature Comm. 14, 1868 (2023), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster).

Quanten-Materie

Artistische Darstellung des Übergangs von Superfluid zu Supersolid

Nicht alle Eigenschaften der Materie lassen sich rein durch die klassische Physik in Form von Teilchen beschreiben, die den Newtonschen Gesetzen folgen. Zum Beispiel kann man Atome heutzutage auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen, wo sie ihren klassischen Charakter verlieren und sich stattdessen wie Elektronen in einem Festkörper verhalten oder eine Quantenflüssigkeit, ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, bilden. Unsere immer weiter fortschreitende Fähigkeit, solche ultrakalten Atome zu kontrollieren, hat ein breites Spektrum an Grundlagenforschung ermöglicht und bildet das Rückgrat für die Entwicklung von Quantentechnologien, Quantensimulationen, Quantencomputern und quantengestützter Sensorik. In unserer Forschung untersuchen wir die Erzeugung und Kontrolle atomarer Wechselwirkungen durch externe Felder oder Laserlicht und erforschen ihre faszinierende und oft überraschende Auswirkungen auf die Eigenschaften dieser kalten Quantenmaterie.

Eine Quanten-Flüssigkeit aus Teilchen mit Dipol-Dipol-Wechselwirkungen kann bei Temperaturerhöhung einen so genannten Superfestkörper bilden, d. h. sie kann durch Erhitzen kristallisieren (Nature Comm. 14, 1868 (2023), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster).

Offene Quantensysteme

Abbildung eines experimentellen Aufbaus samt Daten und zwei Phasendiagrammen

Die Beobachtung eines Quantensystems führt unweigerlich zu Rückwirkungseffekten auf den Zustand des Systems die für unser Verständnis der Quantenmechanik von zentraler Bedeutung sind. Während eine solche Wechselwirkung mit einem externen Beobachter oder einer Umgebung typischerweise Dekohärenz und das Auftreten von klassischem Verhalten hervorruft, kann sie auch so gestaltet werden, dass sie die Quantendynamik steuert und sogar hochgradig nicht-klassische Zustände erzeugt. In unserer Arbeit wenden wir Methoden an und entwickeln sie weiter, um die zeitliche Veränderung offener Quanten-Vielteilchensysteme unter dem Einfluss von Dissipation, Messungen, starken Teilchenwechselwirkungen und kohärentem Antrieb zu beschreiben. Dabei untersuchen wir Nicht-Gleichgewichts-Vielteilchendynamik und versuchen, kollektive Phänomene zu verstehen, die sich aus Licht-Materie-Wechselwirkungen in komplexen Quantensystemen ergeben.

Ein atomares Gas, das kontinuierlich angeregt und mit Laserlicht untersucht wird, weist spontan auftretende Oszillationen seiner optischen Transmission auf. Die gemessenen Oszillationen (links) lassen sich durch ein theoretisches Modell erklären, das eine oszillierende Phase im Nichtgleichgewichtsphasendiagramm als Funktion der Frequenzverstimmung (Δ) und der Amplitude (Ω) des eingesetzten Lasers vorhersagt. Solche Phasen, die spontan die Zeit-Translations-Symmetrie brechen, werden Zeitkristalle genannt (arXiv:2305.20070, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster).

Wechselwirkende Photonen

Artistische Abbildung zu wechselwirkenden Photonen

Photonen - die Elementarteilchen des Lichts - sind im freien Raum frei von jeder Art von gegenseitiger Wechselwirkung. Während diese grundlegende Eigenschaft des Lichts entscheidend für den Erfolg der modernen optischen Kommunikation ist, könnte die Fähigkeit, synthetische Wechselwirkungen zwischen Photonen zu erzeugen, wie die zwischen Elektronen in elektronischen Schaltkreisen, neue Möglichkeiten für die Quanten-Wissenschaft und -Technologie eröffnen. In unserer Forschung untersuchen wir die Kopplung von Licht an verschiedene optische Grenzflächen und untersuchen, wie unter solchen Bedingungen effektive Wechselwirkungen zwischen Photonen entstehen können. Zu diesem Zweck untersuchen wir die Auswirkungen der starken Teilchenwechselwirkungen zwischen Atomen und in Festkörpersystemen oder kollektiven optischen Phänomenen und verwenden numerische Simulationen und fortgeschrittene analytische Techniken.

Effektive Wechselwirkungen zwischen Photonen können in einer Reihe von physikalischen Systemen auftreten, z. B. in atomaren Gasen (links), in regelmäßigen Anordnungen von eng beieinander liegenden Atomen (Mitte) oder in halbleitenden Materialien (rechts).