Quanten-Rabi Dynamik ultrakalter Atome im Bereich der tiefen starken Kopplung

Abstract

Das Quanten-Rabi Modell ist eines der einfachsten quantenmechanischen Modelle zur Beschreibung der Wechselwirkung von Licht und Materie als Kopplung einer bosonischen Feldmode und eines Zwei-Niveau-Systems. Während das Jaynes-Cummings Modell als Näherung des Quanten-Rabi Modells für schwache Kopplungen von großer Bedeutung ist, erlauben aktuelle Experimente nun auch größere Kopplungsstärken zu untersuchen, womit das vollständige Quanten-Rabi Modell in den Vordergrund aktueller Untersuchungen rückt. Während Experimente der Resonator-Quantenelektrodynamik den Bereich der ultrastarken Kopplung erreichen, kann der Bereich der tiefen starken Kopplung, bei welcher die charakteristische Energie der Kopplung die restlichen Energien des Systems dominiert, in Quantensimulationen erreicht werden.<br /> In der vorliegenden Arbeit wird die Realisierung einer analogen Quantensimulation des Quanten-Rabi Modells mittels ultrakalter Rubidium-87 Atome in optischen Gitterpotentialen untersucht. Die Quantensimulation basiert auf der Definition eines Zwei-Niveau-Systems auf den untersten beiden Bändern in der Dispersionsrelation eines optischen Mehrphotonengitterpotentials im Blochbild und der Definition einer bosonischen Feldmode in den Bewegungsmoden der Atome in einem harmonischen Dipolfallenpotential. Das harmonische Dipolfallenpotential wird mit dem extrem weit von den atomaren Resonanzen verstimmten Licht eines CO₂-Lasers der Wellenlänge 10,6 µm realisiert, was zu langen Kohärenzzeiten führt. Durch Überlagerung des periodischen Gitterpotentials für die Atome mit dem harmonischen Fallenpotential kann ein extrem hoher Wert der Kopplungsstärke zwischen bosonischer Feldmode und dem in den Bloch-Bändern realisierten Zwei-Niveau-System erreicht werden, welcher weit im Bereich der tiefen starken Kopplung des Quanten-Rabi Modells liegt. Dabei wird mehr als der vierfache Wert der relativen Kopplungsstärke bisheriger Realisationen des Modells erreicht, so dass zum ersten Mal in einer analogen Quantensimulation eine deutliche Dominanz der Kopplung über die restlichen Energien beobachtet wird. Es können eine Reihe von theoretisch erwarteten Eigenschaften dieses extremen Parameterbereichs des Quanten-Rabi Modells experimentell untersucht werden, wie der rasche Anstieg der Feldmodenbesetzung bei anfänglicher Präparation des Systems im Vakuumzustand der Feldmode und der Zusammenbruch der in starker und ultrastarker Kopplung auftretenden Vakuum-Rabi-Oszillationen. Die im Experiment beobachtete gute Übereinstimmung der gemessenen Dynamiken der Erwartungswerte mit numerischen Simulationen des Quanten-Rabi Modells bestätigt das Erreichen der tiefen starken Kopplung bei gleichzeitigem Erhalt der Phasenkohärenz des Systems. Die Messungen zeigen, dass mit ultrakalten Atomen in variablen Gitterpotentialen grundlegende Experimente zur Quantenphysik getriebener Systeme in zuvor unerreichten Parameterbereichen realisiert werden können. Perspektiven der Arbeit liegen in der Realisierung neuartiger Phasenübergänge des Spin-Boson Modells sowie in der Quanteninformationsverarbeitung.