Entstehung eines Kondensats in einem Dunkelzustand

4. Mai 2023

Foto: AG Hemmerich

Für ihr Experiment verwendeten die Forscher ein ultrakaltes Quantengas in einem optischen Resonator, welches von einer periodisch geschüttelten stehenden Welle aus Licht gepumpt wird.

In einer kürzlich veröffentlichten Cover-Story im Fachmagazin Physical Review Letters haben Wissenschaftler des Fachbereichs Physik der Universität Hamburg gezeigt, dass Dunkelzustände einen allgemeinen Ansatz zur effizienten Herstellung komplexer Vielteilchenzustände in einem offenen Quantensystem bieten.

Das Konzept des Dunkelzustands wurde ursprünglich in der Quantenoptik entwickelt. Dabei handelt es sich um Überlagerungen von Materiezuständen, deren Kopplungsamplituden an ein eingestrahltes Lichtfeld destruktiv interferieren.

Während unkontrollierte Dissipation meist eine zerstörerische Einwirkung auf Quantensysteme entfaltet, kann sie im kontrollierten Fall auch genutzt werden, um nicht-triviale Quantenzustände gezielt zu erzeugen, oft in Verbindung mit einem getriebenen nicht-Gleichgewichtssystem. Eine besonders geeignete experimentelle Plattform für diesen Zweck sind ultrakalte Quantengase, die an optische Resonatoren mit hoher Güte gekoppelt sind, und betreffs des Verlusts von Photonen aus dem Resonator einen gut kontrollierten Dissipationskanal bereithalten.

Kondensat bleibt im Dunkelzustand unberührt

In ihrer Arbeit beobachten die Forscher eine robuste Kondensatsausbildung in einem Dunkelzustand. Sie verwendeten dafür ein ultrakaltes Quantengas in einem optischen Resonator, welches von einer periodisch geschüttelten stehenden Welle aus Licht gepumpt wird. In einem bestimmten Parameterbereich konnten sie ein stationäres angeregtes Dunkelzustandskondensat beobachten, welches durch eine Unterdrückung der Streuung von Pumpphotonen in den Resonator charakterisiert ist.

Die Wissenschaftler, die sowohl theoretisch als auch experimentell im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ forschen, stellten fest, dass das atomare Kondensat im Dunkelzustand nach Abschalten des Pumplichts im Wesentlichen unberührt bleibt, während ein im hellen Zustand präpariertes System einen dynamischen Phasenübergang zurück in die normale Kondensatsphase erfährt.

Originalpublikation

Jim Skulte, Phatthamon Kongkhambut, Sahana Rao, Ludwig Mathey, Hans Keßler, Andreas Hemmerich, and Jayson G. Cosme

"Condensate Formation in a Dark State of a Driven Atom-Cavity System"

Phys. Rev. Lett. 130, 163603 (2023)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.163603