Ultrakalte Atome in Wechselwirkung mit ultrakalten nanomechanischen Oszillatoren

• Antragsteller: Dr. Christoph Becker; Dr. Alexander Schwarz; Professor Dr. Klaus Sengstock; Professor Dr. Roland Wiesendanger
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274978790

Der vorliegende Antrag kombiniert in idealer Weise die ausgewiesene Sachkunde zweier Arbeitsgruppen an der Universität Hamburg auf den Gebieten Quantenoptik (Dr. Christoph Becker; Prof. Sengstock) und Rastersondenmikroskopie bei tiefen Temperaturen (Dr. Alexander Schwarz; Prof. Wiesendanger). Es ist unser ambitioniertes Ziel, ein hybrides Quantensystem zu etablieren und die Wechselwirkung zwischen seinen beiden Bestandteilen zu untersuchen. Wir haben uns für ein System bestehend aus ultrakalten Atomen, im Besonderen Bose-Einstein Kondensaten, und einem kryogenen nano-mechanischen Oszillator entschieden. Mechanische Oszillatoren werden üblicherweise als klassische Systeme angesehen, die aber in ihren quantenmechanischen Grundzustand gebracht werden können, wenn es gelingt sie tief genug herunter zu kühlen. Zusammen bilden beide Bestandteile ein hybrides (Quanten) System, mit dem drei Bereiche untersucht werden können: (i) die Wechselwirkung zwischen einem Quanten- und einem klassischen System, (ii) der Übergangsbereich, in dem der nano-mechanische Oszillator kurz davor ist seinen quantenmechanischen Grundzustand zu erreichen und (iii) die Wechselwirkung zwischen zwei makroskopischen Quantensystemen, die völlig unterschiedlicher Natur sind. Wir planen zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze: (i) Indirekte Kopplung zwischen ultrakalten Atomen in einem optischen Gitter und einem örtlich weit entfernten nano-mechanischen Oszillator in einem Mischungskryostaten mit Hilfe eines Lichtfeldes und (ii) direkte Detektion der Wechselwirkung zwischen ultrakalten Atomen und einem nano-mechanischen Oszillator im Inneren eines Mischungskryostaten. In Rahmen dieses ersten Dreijahresantrags werden wir uns auf die indirekten ex-situ Experimente konzentrieren, wozu wir eine auf 100 mK konventionell vorgekühlte ultradünne Membran in der Mitte einer einstellbaren Faser-Cavity verwenden werden. Wir sind überzeugt, mit Hilfe optomechanischer Kühlung und durch die Entwicklung neuer Kühltechniken, bei der wir die ultrakalten Atome selbst als thermisches Bad nutzen werden, die Membran in ihren quantenmechanischen Grundzustand kühlen zu können. Mit dem hybriden Quantensystem sollen dann rein quantenmechanische Phänomene wie beispielsweise Verschränkung gequetschte Zustände untersucht werdenDer bereits existierende experimentelle Aufbau (Mischungskryostat und BEC Kammer) wurde so konstruiert, dass er auch für die direkten in-situ Experimente verwendet werden kann. Allerdings sind einige Erweiterungen notwendig (eine Vorrichtung, um kalte Atome in den Kryostat zu transportieren und eine magnetische Falle, um dort ein BEC zu erzeugen und zu manipulieren). Deshalb sollen diese Experimente erst realisiert werden, nachdem die indirekten ex-situ Experimente erfolgreich durchgeführt wurden. Erste, bereits erdachte Konzepte dazu werden im Rahmen des vorliegenden Antrages präsentiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen