Forschungsthemen
Am IQP erforschen wir die physikalischen Grundlagen des Lichts, die der atomaren Bausteine der Materie sowie die Wechselwirkung zwischen beiden. Aus unseren Erkenntnissen wollen wir neue nützliche Anwendungen entwickeln. Dieses geschieht im Rahmen unserer Aktivitäten im Zentrum für Optische Quantentechnologien, dessen Gebäude sich direkt neben dem des ILP befindet.
Ultrakalte Quantengase – Wir kühlen dünne Wolken von Atomen auf Temperaturen, die eine Million Mal kälter sind als das leere Weltall. Unter diesen extremen Bedingungen verhalten sich Atome wie Wellen, die konstruktiv oder destruktiv interferieren. Wir untersuchen zum Beispiel, wie ultrakalte (bosonische) Atome in Bose-Einstein Kondensate übergehen und die Positionen aller Atome ununterscheidbar werden. In Quantengasen aus fermionischen Atomen bilden sich zunächst Atompaare bevor ein Kondensat und auch eine Supraflüssigkeit entstehen kann. Diese Systeme nutzen wir dazu, die Physik von Festkörpern zu erforschen. Allerdings eröffnen sich weitere Möglichkeiten. In ultrakalten Quantengasen können wir die Wechselwirkung zwischen den Atomen frei einstellen, von schwach zu stark und von attraktiv zu repulsiv, ganz im Gegensatz zur festen Abstoßung zwischen Elektronen im Festkörper. Darüber hinaus kann die effektive Dimensionalität der Systeme durch das Ausfrieren von Freiheitsgraden reduziert werden. Zu guter Letzt können wir auch die Dichten und Potentiallandschaften beinahe beliebig und dynamisch verändern. Diese Möglichkeiten machen die Forschung an ultrakalten Quantengasen sehr weitreichend und erlauben es uns, Modelsysteme zu kreieren, in denen wir die Physik stark korrelierter Materie wie zum Beispiel Supraleitung untersuchen.
Gravitationswellendetektion – Seit 2015 beobachten neuartige Observatorien auf der Basis von kilometer-langen Laserinterferometern Gravitationswellen aus den Tiefen des Universums. Gravitationswellen sind dynamische, lokal-begrenzte Expansionen und Kompressionen der Raum-Zeit, also des Universums selbst. Sie entstehen zum Beispiel, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Die Gruppe Prof. Schnabel entwickelt seit 2003 (seit 2014 an der Universität Hamburg) neue empfindlichere Technologien für die Beobachtung von Gravitationswellen. Der Fokus liegt dabei auf extrem rauscharmen Laserlicht und zwar Licht mit gequetschter Quantenunschärfe („gequetschtes Licht“) sowie rauscharmen Spiegelbeschichtungen, und signalüberhöhender Strahlungsdruckkopplung zwischen Licht und Interferometerspiegeln. Das gequetschte Licht und die rauscharmen Spiegelbeschichtungen sollen in Zukunft auch in die industrielle Anwendungen gebracht werden.
Quantenverschränkung – Hochangeregte Atome können spontan in ein Elektron und ein Ion zerfallen. Eine Lichtwelle, die einen nichtlinearen Kristall durchstrahlt, kann wiederum spontan in zwei Lichtwellen größerer Wellenlänge zerfallen. (Wegen der Energieerhaltung gilt 1/λ0 = 1/λ1 + 1/λ2). Macht man wiederholt Messungen an solchen Zerfallsprodukten, so stellt man eine besonders starke Korrelation der Messwerte fest, allerdings nur, wenn die Zerfallsprodukte vor der Messung keine Wechselwirkung mit der Umgebung hatten. Die besagte Korrelation nennt man Verschränkung. Die Stärke der Korrelation ist darauf zurückzuführen, dass die Zerfallsprodukte vor der Messung noch gar keine individuellen Eigenschaften haben, sondern nur Eigenschaften relativ zu einander. Wir wollen verschränktes Licht nutzen, um Quantenschlüsselverteilung für die abhörsichere Kommunikation zu realisieren und um Laserapparate für Schwingungsmessungen zu verbessern.
Hybride Quantensysteme – Im Zuge des weltweit rasant steigenden Interesses an Quantentechnologien werden in den nächsten Jahren fundamentale Umbrüche in vielen technologischen Bereichen erwartet. Hierzu zählen Quantenkryptographie und Quantenkommunikation aber auch auf bestimmten quantenmechanischen Effekten basierende hochempfindliche Messverfahren. Hybride Quantensysteme, wie sie am Institut für Laserphysik und am Zentrum für optische Quantentechnologien erforscht werden, verfolgen dabei den Ansatz, unterschiedliche Quantensysteme zu kombinieren und zu instrumentalisieren um ihre jeweiligen Schwächen zu umgehen. In der Gruppe Prof. Sengstock wird versucht, die Orte und Impulse einer 1mm großen SiN Membran und eines Bose-Einstein-Kondensats miteinander zu verschränken. In der Gruppe Prof. Schnabel wird versucht, die Orte und Impulse zweier an Pendeln aufgehängter Spiegel von je 100g mit Hilfe des Strahlungsdrucks von Laserlicht miteinander zu verschränken. Das Experiment könnte Hinweise für das Zusammenspiel von Quantenphysik und Gravitation liefern.
Ultrakalte Quantendynamik – Die theoretische Simulation der Dynamik von ultrakalten Quantengasen und Bose-Einstein Kondensaten erlaubt ein tiefgehendes Verständnis der dynamischen Strukturbildung in Vielteilchensystemen. Der Transport und die Interaktion der ultrakalten Atome stehen hier im Vordergrund, mit dem Ziel zu verstehen, ob die Atome sich unabhängig voneinander bewegen oder ob sie Korrelationen aufweisen. Starke Korrelationen führen zu neuen quantenmechanischen Tunnelprozessen und zu einer einzigartigen kollektiven Dynamik der Atome. Die Arbeitsgruppe Fundamentale Prozesse in der Quantenphysik (Prof. Schmelcher) entwickelt Methoden, um diese Dynamik zu beschreiben und wendet sie auf eine Vielzahl von Vielteilchensystemen bosonischer und fermionischer Natur an.
Exotische Quantenspezies und Quantenprozesse – Rydberg-Atome sind Riesenatome welche durch die Absorption von Licht aus 'normalen' Atomen entstehen. Wir studieren die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser 'Superatome' welche so groß wie ein Virus werden können und riesige Dipolmomente besitzen. Aus diesen Rydberg-Atomen können Moleküle mit neuartigen Bindungsmechanismen gebaut werden die eine einzigartige neue Moleküldynamik besitzen und bisher unbekannte chemische Reaktionen aufweisen. Fallen-induzierte Prozesse und nichtlineare Wellen (Solitonen und Wirbel) in Bose-Einstein Kondensaten zählen ebenfalls zu unseren Forschungsgebieten.
Lokale Symmetrien in der Wellenmechanik – Symmetrien spielen in der Natur und in der Physik eine fundamentale Rolle. Wenn eine Symmetrie jedoch nicht im ganzen Raum vorliegt, sondern unterschiedliche Symmetrien an unterschiedlichen Orten vorliegen, dann sind die Auswirkungen dieser sogenannten lokalen Symmetrien eine offene Fragestellung. Wir entwickeln fundamentale Konzepte zur Beschreibung dieser lokalen Symmetrien und wenden sie auf wellenmechanische Systeme in der Optik und Quantenmechanik an.