Rubidium-Experiment: Quantensimulation

Ultrakalte Atome können in periodischen optischen Potentialen gefangen werden. Die so entstandenen Systeme, so genannte optische Gitter, ähneln stark einem künstlichen Festkörper. In früheren Arbeiten haben wir die Bandstruktur von optischen Gittern mit variabler Inversionssymmetrie untersucht, um die Vielfalt der Potentiale zu simulieren, die uns die Natur im System der Elektronen in natürlichen Kristallen bietet. In unserem Aufbau können optische Potentiale für Atome mit Hilfe der Fourier-Synthese erzeugt werden. Für ein nahezu sägezahnartiges Potential verwenden wir die Überlagerung eines gewöhnlichen Stehwellengitters der räumlichen Periodizität λ/2 mit einem Multiphotonengitter der Periodizität λ/4. Auf diese Weise konnte eine dissipationsfreie Quantenratsche realisiert werden, bei der die Gleichrichtung von Quantenfluktuationen zu einer gerichteten atomaren Bewegung führt. Damit wird das Funktionsprinzip von mikroskopischen Quantenmotoren als Prototyp einer mikroskopischen Maschinerie in der Quantenwelt demonstriert.

In einer anderen Arbeit haben wir in Zusammenarbeit mit der Theoriegruppe von A. Rosch ein optisches Gitter mit einer räumlich gechirpten Amplitude verwendet, um einen Randzustand zwischen zwei räumlichen Regionen unterschiedlicher topologischer Ordnung zu realisieren. Kürzlich haben wir in Zusammenarbeit mit der Theoriegruppe von E. Solano und E. Rico die ultrastarke Kopplung zweier mechanischer Moden im Quanten-Rabi-Regime und die kombinierte Wirkung von Atomen, die durch ein Gitter und ein optisches Dipol-Fangpotential eingeschlossen sind, untersucht. Mit diesem neuartigen experimentellen Schema wurde eine rekordverdächtige Kopplung des 6,5-fachen der ausgewerteten Modenfrequenz erreicht, so dass der Kopplungsterm über alle anderen Energieskalen dominiert.