Quantengase erlauben die Erforschung von Effekten aus der Vielteilchenphysik, sowohl im thermodynamischen Gleichgewicht als auch fernab des Gleichgewichts. Die experimentelle Kontrolle von Dimensionalität, potenzieller Energie oder Kopplung an Reservoire bietet weitreichende Möglichkeiten zur Erforschung neuartiger quantenoptischer Zustände und Phasen, die in Materie auftreten könnten.
In unserer Forschungsgruppe untersuchen wir Quantengase aus Photonen in variablen Potentialen. Im Kastenpotenzial konnte somit zum Beispiel erstmals ein Bose-Einstein Kondensat beobachtet werden, wie aus den gemessenen Positions- und Impulsverteilungen hervorgeht. Indem wir eine Kraft auf das Photonengas ausübten, das in einem Bereich um den Phasenübergang herum präpariert wurde, ließ sich damit zum ersten Mal die Kompressibilität als auch die Zustandsgleichung des Quantengases aus Licht messen. In Zukunft könnten homogene optische Gase thermodynamische Maschinen mit Licht als Arbeitsmedium ermöglichen. Eine weitere spannende Perspektive ist die Erforschung von Schallausbreitung in einem Gas aus Licht. Die erforderliche dynamische Manipulation optischer Quantengase kann etwa durch elektrooptische Fallenmodulation oder räumlich-zeitlich aufgelöstes Pumpen des Farbstoffreservoirs möglich werden. Zudem möchten wir erforschen, ob sich Wechselwirkungen in Photonengasen durch nichtlineare Materialien oder dissipative Effekte erzeugen lassen.
Topologische Zustände gelten als eine Schlüsselressource in der Quantentechnologie. Photonenkondensate in Mikroresonatoren bieten einen konzeptionell neuen Ansatz zur Erzeugung solcher topologischer Zustände: Die topologischer Phasen und geschützten Randzustände sollen allein durch die Kontrolle von Reservoirs erzeugt werden. Mit diesem Rezept können wir grundlegende Tests des noch unerforschten Zusammenspiels zwischen Topologie und reservoir-induzierten Fluktuationen durchführen. Denn bis heute ist das Verständnis der Topologie bei endlicher Temperatur eines der größten Probleme der Physik.
In den Experimenten arbeiten wir an einer Raumtemperatur-Plattform aus mikroskopischen Resonatoren, welche eindimensionale Gitter von Photonenkondensaten mit variabler Tunnelkopplung, Kohärenz und ortsaufgelöster Kontrolle von Dissipation und Verstärkung erlaubt. Nicht-hermitsche topologische Zustände werden dann durch Pumplasermasken realisiert. Ein technologischer Reiz dieses Ansatzes liegt in der Möglichkeit, topologische Phasen auf dynamische Weise zu erzeugen. Rekonfigurierbare topologische Phasen, die auf diese Weise auf photonische Strukturen aufgeprägt werden, könnten neue Wege für das dynamische Routing von Licht auf optischen Chips ermöglichen.
K. Takata and M. Notomi, Phys. Rev. Lett. 121, 213902 (2018)
H. Wetter et al., Phys. Rev. Lett. 131, 083801 (2023)
Die Kombination von Nanostrukturierungsmethoden mit optischen Quantengasen ermöglicht die Untersuchung neuartiger Quantenzustände des Lichts, die von der Grundlagenforschung bis hin Anwendungen reichen.
Um maßgeschneiderte Nanostrukturen für optische Resonatoren zu realisieren, forscht die Gruppe an der Entwicklung einer Oberflächenstrukturierungsmethode für hochreflektive dielektrische Bragg-Spiegel. Dazu wird ein fokussierter Laserstrahl bei 532 nm auf der Rückseite durch ein SiO2-Glassubstrat eines dielektrischen Planspiegels über eine absorbierende amorphe Silizium-Dünnschicht gescannt. Der erzeugte Wärmeeintrag sorgt für eine Ausdehnung der λ/4-Schichten von einigen %, was zu einer dauerhaften Oberflächenverbesserung der Beschichtung führt. Die räumliche Auflösung des direkten Laserschreibens (DLW) beträgt 3µm (lateral) und 1Å (Höhe), so dass variable Potentiale für Licht im Mikroresonator erzeugt werden können. Die Abbildung zeigt beispielhaft eine strukturierte Spiegeloberfläche mit verschiedenen Strukturen. Darüber hinaus untersuchen wir alternative Strukturierungsmethoden für optische Kavitäten mittels additiver 3D-DLW-Methoden mit einer räumlichen Auflösung von 100 nm, die kürzlich die Realisierung von 1D-Quantengasen aus Licht ermöglicht haben.
Herkömmliche Rechnerstrukturen beruhen auf physisch getrennten Prozessor- und Speichereinheiten („von-Neumann-Architektur“), die grundsätzlich die Dauer für die Informationsverarbeitung begrenzen. Dies motiviert einen Paradigmenwechsel hin zu neuen Arten von Rechenmaschinen: 'physikalische Rechner'.
Aufbauend auf früheren Arbeiten zur Thermodynamik in optischen Systemen forschen wir an der experimentellen Realisierung von Netzwerken gekoppelter optischer Kondensate, die in Zukunft ein System für ultraschnelle und energieeffiziente physikalische Berechnungen darstellen könnten. Konkret lösen die Photonen ein durch die Netzwerkstruktur vorgegebenes Rechenproblem gemäß physikalischer Prinzipien, z. B. der Energieminimierung. Der Ansatz basiert auf der Analogie von gekoppelten Kondensaten mit einstellbaren Kopplungen und Spinsystemen. In unserer Gruppe arbeiten wir an der Entwicklung solcher analoger Simulatoren als eine neue Klasse von Rechengeräten. Aufgrund der schnellen Licht-Materie-Wechselwirkung verspricht diese neuartige Computerstruktur die Lösung komplexer Optimierungsprobleme in Pikosekunden, was eine Beschleunigung im Vergleich zu heutigen Computerarchitekturen bedeutet.
Siehe z. B. theoretische Arbeiten der Berloff-Gruppe: K.P. Kalinin et al., Sci. Rep. 8, 17791 (2018)
