Emergente kohärente Phänomene in Vielteilchenquantensystemen – Zeitkristalle und Synchronisation

01.01.2024 bis 31.12.2025

Die Untersuchung kollektiver Phänomene in Quantensystemen, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, ist ein zentrales Thema in der Physik. In diesen Systemen können neuartige Materiephasen beobachtet werden, die kein Gegenstück im Gleichgewicht besitzen. Dies ist z.B. der Fall bei sogenannten Zeitkristallen. Hier wird die Zeittranslationssymmetrie spontan gebrochen, d.h. das Vielteilchensystem vollzieht, anstatt in einen stationären Zustand zu relaxieren, zeitabhängige Schwingungen. In Gegenwart solcher Oszillationen ist ein weiteres intrinsisches Nichtgleichgewichtsphänomen möglich, nämlich das der Quantensynchronisation. Diese tritt auf, wenn gekoppelte schwingungsfähige Systeme ihre Frequenz und Phase aneinander anpassen.

In diesem Projekt werden wir diese beiden Phänomene und ihre Auswirkungen auf das von quantenoptischen Vielteilchensystemen emittierte Licht untersuchen. Die Motivation dahinter, ist die folgende: (i) Quantenoptische System sind hochgradig kontrollierbare experimentelle Plattformen; (ii) Signaturen der Vielteilchendynamik übertragen sich direkt auf das emittierte Licht. Ein Schwerpunkt das Projekts wird daher auch auf der Charakterisierung des emittierten Lichts und dessen möglicher Anwendung im Bereich der Metrologie mit Vielteilchensystemen liegen.

Das Projekt hat die folgenden zwei Ziele:

- Charakterisierung der Entstehung von Zeitkristallen und Quantensynchronisation jenseits der Mean-Field-Näherung. Das Auftreten kollektiver Phänomene in Vielkörpersystemen, die in niedrigdimensionalen Gittergeometrien angeordnet sind und mit kurzreichweitigen Wechselwirkungen interagieren, ist jenseits der Mean-Field-Näherung bislang wenig verstanden. Solch ein Verständnis ist allerdings entscheidend, um die Eigenschaften des emittierten Lichts zu charakterisieren. Wir werden dieses offene Problem angehen, indem wir die Auswirkungen der Gittergeometrie und schließlich den Einfluss der Dimensionalität der Systeme mit geeigneten Methoden untersuchen.

- Konzeption und Entwicklung zur Realisierung von Zeitkristallen und Synchronisation auf quantenoptischen Plattformen. Quantenoptische Plattformen sind aufgrund ihrer hohen Steuer- und Durchstimmbarkeit besonders geeignet für die Beobachtung von Nichtgleichgewichts-Quantenphänomenen. Ziel ist es, zu verstehen, welche Systemkonfigurationen Zeitkristallphasen realisieren können und ob und wie eine Synchronisation möglich ist. Als experimentelle Plattform zur Realisierung unserer Ideen betrachten wir Atomgitter, die an Wellenleiter gekoppelt sind. Ein entscheidender Vorteil derartiger Systeme ist, dass der Wellenleiter das von den Atomen emittierte Licht in einer Mode sammelt. Das vereinfacht die Charakterisierung dieses Lichts, und wird uns erlauben das Potenzial zeitkristalliner/synchronisierter Phasen für Zeitmessungs- und Metrologieanwendungen einzuschätzen.