Tailored quantum matter for sensing and fundamental physics

01.03.2021 bis 28.02.2024

Neuartige Möglichkeiten bei der Manipulation von Materie erlauben die Realierung künstlicher Quantensysteme, die Atom für Atom zusammengesetzt werden. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es unter Ausnutzung dieser Fähigkeiten eine proof-of-concept Studie eines neuartigen Sensors für elektromagnetische Strahlung im Terahertzfrequenzbereich durchzuführen. Obwohl dieser Frequenzbereich technologisch von hoher Relevanz ist, gibt es immer noch einen starken Bedarf an Sensortechnologie, insbesondere im Bereich sehr schwacher Felder. Realisiert wird das Forschungsziel mit Hilfe eines sogenannten Rydberg-Quantensimulators. Dieser besteht aus einem zweidimensionalen Gitter aus Atomen, die durch Lichtkräfte an ihren Orten gehalten werden, und mit Hilfe weiterer Laser in hochangeregte Zustände – sogenannte Rydbergzustände – überführt werden. Die starke Wechselwirkung zwischen angeregten Atomen ist die Grundlage für komplexen quantenmechanischen Prozesse, die insbesondere in der Nähe sogenannter Phasenübergänge zutage treten. Hier wird der Zustand des Quantensimulators stark sensitiv auf äußere Störungen. Im Extremfall ermöglicht dann sogar ein einzelnes Terahertzphoton eine leicht zu detektierende makroskopische Zustandsänderung.

Unterstützt durch einen renommierten Experten – Prof. J.P. Garrahan von der Universität Nottingham (GB) – legt unsere Forschung die Grundlage für eine neuartige Detektorgeneration, die auf Quanten-Nichtgleichgewichtsphasenübergängen beruht. Dabei verfolgen wir zwei Ansätze. Zum einen werden wir einen Lawinen-Terahertzdetektor realisieren. Dieser basiert auf einer Nukleations- und Wachstumsdynamik im Rydberg-Quantensimulator, die durch die Absorption von Terahertzphotonen ausgelöst wird. Zum anderen werden wir aktiv Nichtgleichgewichtsphasenübergänge mit Hilfe sogenannter Reset-Prozesse designen, die eine Detektion von Terahertzfeldern ermöglichen.

Neben ihrem direkten technologischen Bezug wird unsere Forschung, mit ihrem Experiment-Theorie-Programm, neue Einsichten in fundamentale Fragestellungen im Bereich komplexer Quantensystem ermöglichen. Wir erwarten insbesondere neue Erkenntnisse zur Realisierung exotischer Materieformen, wie z.B. Zeitkristalle.