Cavity quantum electrodynamics of systems from few atoms to controlled ensembles  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
68736
Type NF
Principal investigator Domokos, Péter
Title in Hungarian Rezonátoros kvantumelektrodinamika: atomoktól a soktestrendszerekig
Title in English Cavity quantum electrodynamics of systems from few atoms to controlled ensembles
Keywords in Hungarian kvantumelektrodinamika, optikai rezonátor, lézeres hűtés és csapdázás, molekulaképződés, soktestprobléma
Keywords in English quantum electrodynamics, optical resonator, laser cooling and trapping, molecule formation, manybody problems
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Physics 1
Department or equivalent Quantum Optics and Quantum Information Dept. (Research Institute for Solid State Physics and Optics Hung. Acad. Sci.)
Participants Asbóth, János Károly
Gábris, Aurél
Kálmán, Orsolya
Nagy, Dávid
Vukics, András
Starting date 2007-01-01
Closing date 2010-06-30
Funding (in million HUF) 24.100
FTE (full time equivalent) 5.30
state closed project
Summary in Hungarian
A projekt célja egy elméleti kutatócsoport megalakítása, amelyik optikai rezonátorok sugárzási módusaihoz erősen csatolt ultrahideg atomgázok dinamikáját tanulmányozza. A kutatási terv összefogja a rezonátoros QED, a lézeres hűtés és csapdázás, illetve a soktestrendszerek területét.

Egy rezonátorban a sugárzási mező dinamikus komponens, és új típusú kölcsönhatást közvetít az atomok között. Ez olyan látványos kollektív jelenségekre vezethet, mint például a nemrégiben kimutatott önszerveződés. Célunk ennek a rendszernek a feltárása egy nagyon alapvető szinten, amelyik az atomok közötti teljes kölcsönhatásról számot ad. A rezonátormező által közvetített csatoláson túl a teljes modell figyelembe kell vegye a hosszú hatótávolságú, anizotróp dipól-dipól csatolást, és a rövid hatótávolságú, az elektronfelhők átlapolásából származó kicserélődési kölcsönhatást. Ez utóbbi hatása ütköző atomok optikai tulajdonságaira egy teljesen feltáratlan probléma. A teljes modell alapján rezonátorhoz csatolt elfajult kvantumgázokat (Bose-kondenzátum), illetve molekulák fotoasszociációját írhatjuk le.

A projekt a kutatói erőforrások fejlesztését szolgálja egy élvonalbeli kutatási területen, amelynek a jelentősége kettős: alapkutatás jellegű és technológiai. A rezonátoros kvantumelektrodinamika hatással van az ultrapontos spektroszkópiára. Másrészt, amint az eszközök miniatürizációja a szubmikron skálát közelíti, a fény-anyag csatolásokban elkerülhetetlenül megjelenik az erős csatolású tartomány.
Summary
The project objective is to form a small theoretical group working on the dynamics of an ultracold atom gas strongly coupled to the radiation modes of an optical resonator (cavity). The project combines the fields of cavity QED, laser cooling and trapping, and many-body physics.

Inside a cavity, the radiation field is a dynamical component and mediates a novel type of atom-atom interaction. This gives rise to spectacular collective effects, e.g., the recently demonstrated self-organization. We aim at exploring the system at a thorough level taking into account the full interaction between atoms. In addition to the cavity-mediated coupling, the full model should include the long range, anisotropic dipole-dipole interaction, and the short range one resulting from electron exchange of overlapping atoms. The effect of this latter on the optical properties of colliding atoms has never been explored before. Based on the full model, we will describe degenerate quantum gases (Bose condensate) coupled to resonator fields, and photoassociation of molecules.

The project serves the improvement of human resources on a cutting edge research subject with twofold importance: fundamental and technological. Cavity QED has an impact on high-precision spectroscopy. On the other hand, as device miniaturization approaches the sub-micron scale, light-matter interfaces inevitably operate in the strong coupling regime.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Munkánk elvezetett a rezonátoros kvantumelektrodinamika alapmodelljének több irányú kiterjesztéséhez, és más aktív kutatási területhez kapcsolásához. Az erős atom-fény csatolást bevezettük a Bose-Einstein kondenzátumok fizikájába. Először átlagtérelmélettel és lineáris zajanalízissel felderítettük a csatolt anyag-, és fényhullámok hibrid rendszerét. Kifejlesztettünk effektív modelleket, amelyek számot adnak a kvantumstatisztikai tulajdonságokról, sőt, még dinamikai jelenségekről is. A térbeli önszerveződés nemegyensúlyi fázisátalakítását elemeztük részletesen. At ETH csoportjában végzett kísérletek igazolták néhány jóslatunkat. Kapcsolatot teremtettünk a rezonátoros QED és a standard optomechanikai modell között. Ez utóbbi egy forró kutatási téma, amely kvantumhatások megfigyelhetőségével kecsegtet egy mezoszkopikus tárgy (tükör) mozgásában. A két modell egységes leírását adtuk egy szórási modell keretében, amely két extrém határesetében adja vissza őket. A szórási megközelítés sikeresnek bizonyult szabad térben megfigyelhető, kollektív atomi jelenségek feltárásában is. Túlléptünk az optikai rácsok szokásos leírásán: korrekciókat találtunk a dipólerő kifejezéséhez, amely az atomok mezőre kifejtett visszahatásából származnak, és megmutattuk, hogy sűrűséghullámok formájában soktest gerjesztések létezhetnek egy optikai rácsban. Összesen 21 cikket publikáltunk, amelyek között 6 Phys. Rev. Lett. van. 7 meghívott konferenciaelőadást tartottunk.
Results in English
This project has led to the extension of the basic cavity QED model in various directions, connecting it to other very active research fields. First of all, the strong atom-field coupling has been incorporated to the physics of Bose-Einstein condensates. The composite, hybrid system of coupled matter and light waves was explored, first, by mean field theory and linearized fluctuation analysis. We developed effective models accounting for quantum statistical features, too, even for dynamical effects. The non-equilibrium phase transition of spatial self-organization was analysed in detail. Experimental observations in the ETH group verified some of our predictions. We established a link between cavity QED and the standard opto-mechanical model. This latter is a hot topic with the promise of observing quantum effects in the kinematics of massive, mesoscopic mirrors. We described them in a uniform framework, as being the two extremes of the same scattering model. This scattering approach proved to be useful also in studying collective atomic effects in free space. We went beyond the standard picture of optical lattices: we found corrections to the optical dipole potential due to back-action on the field and showed that many-body excitations in the form of density waves can be excited in an optical lattice. We published altogether 21 papers, among which there are 6 Phys.Rev. Letters. We presented 7 invited conference talks.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=68736
Decision
Yes





 

List of publications

  
J. K. Asboth, H. Ritsch, P. Domokos: Collective excitations and instability of an optical lattice due to unbalanced pumping, Phys. Rev. Lett. 98, 203008, 2007
J. K. Asboth, P. Domokos: Comment on ``Coupled dynamics of atoms andCollective excitations and instability of an optical lattice due to unbalanced pumping, Phys. Rev. A 76, 057801, 2007
D. Nagy, P. Domokos: Dipole-dipole instability of atom clouds in a far-detuned optical dipole trap, Phys. Rev. A 75, 053416, 2007
C. Maschler, H. Ritsch, A. Vukics, P. Domokos: Atom-field entanglement as a key to self-organization in a quantum lattice potential, Optics Communications 273, 446-450, 2007
G. Szirmai, P. Domokos: Geometric resonance cooling of polarizable particles in an optical waveguide, Phys. Rev. Lett. 99, 2007
A. Vukics, H. Ritsch: C++QED: an object-oriented framework for wave-function simulations of cavity QED systems, Eur. Phys. J. D 44, 585-599, 2007
J. K. Asboth, H. Ritsch, P. Domokos: Optomechanical coupling in a one-dimensional optical lattice, Phys. Rev. A 77, 063424, 2008
B. L. Lev, A. Vukics, E. R. Hudson, B. C. Sawyer, P. Domokos, H. Ritsch, J. Ye: Prospects for the cavity-assisted laser cooling of molecules, Phys. Rev. A 77, 023402, 2008
D. Nagy, G. Szirmai, P. Domokos: Self-organization of a Bose-Einstein condensate in an optical cavity, Eur. Phys. J. D 48, 127, 2008
A. Gábris, G. S. Agarwal: Quantum teleportation with pair-coherent states, Int. Journal of Quant. Inf. 5, 17-22, 2007
A. Gábris, T. Kiss, I. Jex: Scattering quantum random-walk search with errors, Phys. Rev. A 76 062315, 2007
S. Vymětal, T. Kiss, I. Jex, G. Alber, A. Gábris, and T. Langrová: Chaos in the conditional dynamics of two qubits purification protocol, AIP Conf. Proc. 1076 255-261, 2008
D. Nagy, P. Domokos, A. Vukics, H. Ritsch: Nonlinear quantum dynamics of two BEC modes dispersively coupled by an optical cavity, Eur. Phys. J. D 55, 659–668, 2009
G. Szirmai, D. Nagy, P. Domokos: Excess Noise Depletion of a Bose-Einstein Condensate in an Optical Cavity, Phys. Rev. Lett. 102, 080401, 2009
A. Xuereb, P. Domokos, J. Asboth, P. Horak, and T. Freegarde: Scattering theory of cooling and heating in optomechanical systems, Phys. Rev. A 79, 053810, 2009
V. Potoček, A. Gábris, T. Kiss, and I. Jex: Optimized quantum random-walk search algorithms on the hypercube, Phys. Rev. A 79, 012325, 2009
A. Xuereb, T. Freegarde, P. Horak, and P. Domokos: Optomechanical Cooling with Generalized Interferometers, Phys. Rev. Lett. 105, 013602 (2010), 2010
G. Szirmai, D. Nagy, and P. Domokos: Quantum noise of a Bose-Einstein condensate in an optical cavity, correlations, and entanglement, Phys. Rev. A 81 (4), Art. no. 043639 (2010), 2010
D. Nagy, G. Konya, G. Szirmai, and P. Domokos: Dicke-Model Phase Transition in the Quantum Motion of a Bose-Einstein Condensate in an Optical Cavity, Phys. Rev. Lett. 104, 130401 (2010), 2010
A. Schreiber, K. N. Cassemiro, V. Potoček, A. Gábris, P. J. Mosley, E. Andersson, I. Jex, and Ch. Silberhorn: Photons Walking the Line: A Quantum Walk with Adjustable Coin Operations, Phys. Rev. Lett. 104, 050502 (2010), 2010
André Xuereb, Peter Domokos, Peter Horak and Tim Freegarde: Scattering theory of multilevel atoms interacting with arbitrary radiation fields, Phys. Scr. T140 (2010) 014010, 2010




 

Events of the project

  
2010-07-15 09:41:10
Résztvevők változása



Back »