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Prof. Dr. Wolfgang Ertmer - quest

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Thomas Damm / QUEST<br />

28<br />

Institut für Quantenoptik<br />

Leibniz Universität Hannover<br />

Telefon: (+49) (511) 762 2231<br />

E-Mail: ertmer@iqo.uni-hannover.de<br />

Quantum Engineering<br />

of Optical Pulses<br />

Theoretical Quantum Optics<br />

Kovačev<br />

Area Manager | Leiter des Forschungsbereichs<br />

<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. <strong>Wolfgang</strong> <strong>Ertmer</strong><br />

Lein<br />

Vekua<br />

Condensed Matter Physics with Cold Gases<br />

Schnabel<br />

The special properties of laser light form<br />

the basis of a broad range of modern experimental<br />

methods. For example the application<br />

of laser allows us to directly manipulate<br />

internal degrees of freedom of atomic and<br />

molecular structures and makes measurements<br />

at the quantum level possible. Laser<br />

interferometers are increasingly being used<br />

in high-precision measurement technology,<br />

for example in determining extremely small<br />

length variations in the search for gravitational<br />

waves, or in precision geodesy.<br />

In Research Area “Quantum Engineering”,<br />

QUEST combines the experimental and theoretical<br />

methods of different disciplines in<br />

order to create and investigate new control<br />

mechanisms for quantum systems. Research<br />

activities focus on the combination of quan-<br />

Macroscopic Quantum Objects<br />

<strong>Ertmer</strong><br />

Non-Classical States<br />

of Matter<br />

tum systems of strongly correlated atoms<br />

and solids as well as on the interaction of<br />

non-classical light fields with atomic ensembles.<br />

An additional major challenge is<br />

the study of entangled quantum states of<br />

light with a solid test mass.<br />

The results in Research Area “Quantum<br />

Engineering” lay the groundwork for activities<br />

in Research Area “Quantum Sensors”,<br />

where whole new perspectives are opened<br />

up for such systems of quantum metrology.<br />

Together with the progress made in spacetime<br />

research, this offers the chance to answer<br />

<strong>quest</strong>ions in fundamental physics and<br />

to pave the way for such future research<br />

projects as gravitational wave astronomy or<br />

novel quantum technologies.


Oliver Topic<br />

Research Area | Forschungsbereich<br />

Quantum Engineering<br />

Optischer Aufbau zur Präparation des Laserlichts für eine doppelte magneto-optische Falle für die Elemente<br />

Rubidium und Kalium.<br />

Optical setup for laser light preparation for the purpose of a dual magneto-optical trap with potassium and rubidium.<br />

Die speziellen Eigenschaften des Laserlichts bilden die<br />

Basis einer Vielzahl moderner experimenteller Methoden.<br />

Beispielsweise erlaubt der Einsatz von Lasern die gezielte<br />

Manipulation innerer Freiheitsgrade atomarer und molekularer<br />

Systeme und ermöglicht Messungen auf der Quantenebene.<br />

Laserinterferometer werden verstärkt in der Hochpräzisions-Messtechnologie<br />

verwendet, unter anderem auch<br />

zur Bestimmung extrem kleiner Längenänderungen, wie<br />

beispielsweise bei der Suche nach Gravitationswellen oder<br />

in der Präzisionsgeodäsie.<br />

Research Groups | Forschungsgruppen<br />

Theoretical Quantum Optics, <strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. Manfred Lein (Page | Seite 30)<br />

Macroscopic Quantum Objects, <strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. Roman Schnabel (Page | Seite 32)<br />

Condensed Matter Physics with Cold Gases, Jun.-<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. Teimuraz Vekua (Page | Seite 34)<br />

Quantum Engineering of Optical Pulses, Jun.-<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. Milutin Kovačev (Page | Seite 36)<br />

Non-Classical States of Matter, <strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. <strong>Wolfgang</strong> <strong>Ertmer</strong> (Page | Seite 38)<br />

Plasma-Erzeugung durch einen intensiven Laserpuls.<br />

Plasma light generation using an intense laser pulse<br />

QUEST verbindet im Forschungsbereich „Quantum Engineering“<br />

die experimentellen und theoretischen Methoden<br />

verschiedener Disziplinen, um damit neue Kontrollmechanismen<br />

für Quantensysteme zu schaffen und zu erforschen.<br />

Im Fokus der Forschungsaktivitäten stehen dabei die Kombination<br />

von Quantensystemen aus stark korrelierten Atomen<br />

und Festkörpern sowie die Wechselwirkung von nichtklassischen<br />

Lichtfeldern mit atomaren Ensembles. Als besondere<br />

Herausforderung werden ergänzend verschränkte Quantenzustände<br />

aus Licht und massiven Testmassen studiert.<br />

Die Ergebnisse im Bereich „Quantum Engineering“ sind<br />

direkte Zuarbeiten für den Forschungsbereich „Quantum<br />

Sensors“, in dem solche Systeme der Quantenmetrologie<br />

völlig neue Perspektiven eröffnen werden. Gemeinsam mit<br />

den Fortschritten der Raum-Zeit-Forschung ergibt sich so<br />

die Chance, fundamentale physikalische Fragen zu beantworten<br />

und den Weg für zukünftige Forschungsvorhaben<br />

wie die Gravitationswellenastronomie oder neuartige Quantentechnologien<br />

zu ebnen.<br />

Michael Born<br />

29


Thomas Damm / QUEST<br />

30<br />

Institut für Theoretische Physik<br />

Leibniz Universität Hannover<br />

Telefon: (+49) (511) 762 32 91<br />

E-Mail: lein@itp.uni-hannover.de<br />

Group Leader | Gruppenleiter<br />

<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. Manfred Lein<br />

Weitere Forschungsprojekte Further Research Projects<br />

» Erzeugung hoher Harmonischer mit Wasser-Molekülen<br />

» Erzeugung von Harmonischen in Gasgemischen<br />

» Zeitaufgelöste Fano-Resonanz in Attosekunden-Photoelektronenspektren<br />

» Tomographie von Molekülorbitalen<br />

» Zeitabhängige Multikonfigurationsmethode für gekoppelte Elektron-Kern-Dynamik<br />

» Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie für Prozesse in starken Feldern<br />

» Institut für Physikalische Chemie, Universität Würzburg<br />

» Department of Physics, Imperial College London<br />

» Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover<br />

» High-harmonic generation from water molecules<br />

» High-harmonic generation in gas mixtures<br />

» Time-resolved Fano resonance in attosecond photoelectron spectra<br />

» Molecular orbital tomography<br />

» Multiconfiguration time-dependent Hartree method for electron-nuclear correlation<br />

» Time-dependent density functional theory for strong-field processes<br />

Kooperationen Collaborations<br />

» Institut für Physikalische Chemie, Universität Würzburg<br />

» Department of Physics, Imperial College London<br />

» Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover<br />

Lehre (Auszug) Selected Teaching<br />

» Vorlesung Quantendynamik, 2009<br />

» Vorlesung Klassische Teilchen und Felder, 2009/10<br />

» Seminar Optik auf Femto- und Attosekunden-Zeitskalen, 2009/10<br />

» Vorlesung Computational Physics, 2010<br />

» Proseminar Theoretische Physik, 2010<br />

» Lecture Quantum Dynamics, 2009<br />

» Lecture Classical Particles and Fields, 2009/10<br />

» Seminar Optics on Femto- and Attosecond Time Scales, 2009/10<br />

» Lecture Computational Physics, 2010<br />

» Proseminar Theoretical Physics, 2010<br />

Auszeichnungen Awards<br />

» M. Lein – Wissenschaftlicher Preis der Heidelberger Akademie der Wissenschaften<br />

2006 für Arbeiten zur Attosekundenphysik in Molekülen<br />

The interaction between laser light<br />

and matter is a central theme of modern<br />

research in quantum optics and precision<br />

metrology. Two major frontiers can be identified:<br />

observation of ultrafast processes with<br />

time scales below 1 femtosecond and highprecision<br />

spectroscopy. Ultrafast science is<br />

intimately related to the investigation of<br />

strong laser pulses interacting with atoms<br />

and molecules. On the one hand, short pulses<br />

are the ideal tool to induce and probe<br />

ultrafast electronic processes and molecular<br />

reactions, and on the other hand, laserdriven<br />

atoms and molecules are sources of<br />

extreme ultraviolet coherent pulses (attosecond<br />

bursts of high-harmonic emission)<br />

which can be used to study processes on<br />

the attosecond time scale. This research<br />

group works on the theory of strong laser<br />

» M. Lein—Scientific award of the Heidelberg Academy of Sciences and Humanities<br />

2006 for work on attosecond physics in molecules<br />

fields and the quantum dynamics of atoms<br />

and molecules, collaborating with experimental<br />

groups in QUEST. Furthermore, this<br />

research group has calculated the temporal<br />

structure of the attosecond bursts with<br />

unprecedented resolution. Internal motion<br />

such as molecular vibration and the motion<br />

of ionization-induced holes in laser-matter<br />

interaction and in particular the effect on<br />

harmonic emission is investigated in detail.<br />

The researchers also analyse the harmonic<br />

phase with a view to the application to imaging<br />

of atomic and molecular structures<br />

and dynamics. Precision spectroscopy requires<br />

sources with sharp frequencies and<br />

high repetition rate. Within one QUEST collaboration<br />

project, the investigation of highrepetition<br />

harmonics from laser-driven nanoarrays<br />

is planned.


C. Chirilă, I. <strong>Dr</strong>eißigacker<br />

Research Group | Forschungsgruppe<br />

Theoretical Quantum Optics<br />

Harmonische Ordnung gegen Emissionszeit, berechnet für die<br />

Erzeugung hoher Harmonischer in einem lasergetriebenen<br />

Atom in voller Dimensionalität. Kurven: (semi)klassische Modelle.<br />

Harmonic order versus emission time calculated for high-harmonic<br />

generation from a laser-driven atom in full dimensionality. Curves: (semi)<br />

classical models.<br />

Die Wechselwirkung von Laserlicht mit Materie ist ein<br />

zentrales Feld der modernen Forschung in der Quantenoptik.<br />

Zwei der wesentlichen Herausforderungen sind die<br />

Beobachtung ultraschneller Prozesse auf Zeitskalen unter<br />

einer Femtosekunde sowie die Hochpräzisionsspektroskopie.<br />

Ultraschnelle Forschung hängt eng mit der Untersuchung<br />

starker Laserpulse in ihrer Wechselwirkung mit Atomen<br />

und Molekülen zusammen. Ultrakurze Pulse sind dabei das<br />

ideale Werkzeug, um ultraschnelle elektronische Prozesse<br />

und molekulare Reaktionen auszulösen und zu beobachten.<br />

Weiterhin dienen lasergetriebene Atome und Moleküle als<br />

Quellen von Pulsen im extremen Ultraviolett (Attosekunden-<br />

Bursts hoher Harmonischer), die ihrerseits für Studien auf<br />

der Attosekundenzeitskala eingesetzt werden können. Die<br />

Forschungsgruppe „Theoretical Quantum Optics“ erforscht<br />

Selected publications | Ausgewählte Publikationen:<br />

die Theorie starker Laserfelder und die Quantendynamik in<br />

Atomen und Molekülen in Zusammenarbeit mit weiteren<br />

experimentellen Gruppen in QUEST. So werden beispielsweise<br />

der Zeitverlauf der Attosekunden-Bursts mit extrem<br />

hoher Zeitauflösung berechnet sowie interne Dynamik, wie<br />

Molekülvibration und die Elektron-Loch-Dynamik bei Laser-<br />

Materie-Wechselwirkung, im Detail untersucht. Weiterhin<br />

analysieren die Wissenschaftler die harmonische Phase im<br />

Hinblick auf die Anwendung in der Bildgebung atomarer<br />

und molekularer Struktur und Dynamik. Präzisionsspektroskopie<br />

erfordert Quellen mit scharfen Frequenzen und<br />

hoher Repetitionsrate. In einer QUEST-Kollaboration sollen<br />

Harmonische hoher Repetitionsrate aus lasergetriebenen<br />

Nano-Arrays untersucht werden.<br />

» S. Baker, J.S. Robinson, M. Lein, C.C. Chirilă, R. Torres, H.C. Bandulet, D. Comtois, J.C. Kieffer, D.M. Villeneuve, J.W.G. Tisch, and J.P. Marangos,<br />

Dynamic Two-Center Interference in High-Order Harmonic Generation from Molecules with Attosecond Nuclear Motion, Phys. Rev. Lett. 101,<br />

053901 (2008)<br />

Zeitentwicklung des Kernabstands in einem lasergetriebenen<br />

Wasserstoffmolekül-Ion, berechnet mit der zeitabhängigen<br />

Multikonfigurations-Hartree-Methode.<br />

Time evolution of the internuclear distance in a laser-driven hydrogen<br />

molecular ion obtained from a multiconfiguration time-dependent<br />

Hartree calculation.<br />

» M. Lein, Molecular imaging using recolliding electrons, J. Phys. B 40, R135 (2007)<br />

» S. Baker, J. Robinson, C.A. Haworth, H. Teng, R.A. Smith, C.C. Chirilă, M. Lein, J.W.G. Tisch, and J.P. Marangos, Probing proton dynamics in<br />

molecules on an attosecond timescale, Science 312, 424 (2006)<br />

Korrelierte Kern- und Elektronendichte nach 25 fs Lasereinstrahlung<br />

in einem Wasserstoffmolekül-Ion, berechnet mit der<br />

zeitabhängigen Multikonfigurations-Hartree-Methode.<br />

Correlated nuclear and electronic density after 25 fs of laser irradiation in<br />

a hydrogen molecular ion, calculated with the multiconfiguration time-<br />

dependent Hartree method.<br />

C. Jhală (2)<br />

31


Thomas Damm / QUEST<br />

32<br />

Albert-Einstein-Institut Hannover<br />

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik<br />

und Leibniz Universität Hannover<br />

Telefon: (+49) (511) 762 19169<br />

E-Mail: roman.schnabel@aei.mpg.de<br />

Weitere Forschungsprojekte Further Research Projects<br />

» Elektro-mechanische Oszillatoren von mehreren Kilogramm Masse nahe ihres quantenmechanischen<br />

Grundzustandes (Kooperation LIGO Team)<br />

» Neuartige rauscharme Spiegelkonzepte für makroskopische Quantenmessung<br />

» Design und Aufbau des 10 m-Interferometers am IGP/AEI Hannover<br />

» Massachusetts Institute of Technology MIT, USA<br />

» Australian National University, Australien<br />

» California Institute of Technology, USA<br />

» Moscow State University, Russland<br />

» Universität Jena<br />

» Glasgow University, Großbritannien<br />

Group Leader | Gruppenleiter<br />

<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. Roman Schnabel<br />

» Electro-mechanical kilogram-scale oscillators near its quantum ground state<br />

(Collaboration LIGO team).<br />

» New low noise mirror concepts for macroscopic quantum measurements.<br />

» Design and setup of the 10 m-interferometer at the IGP/AEI Hannover.<br />

Kooperationen Collaborations<br />

» Massachusetts Institute of Technology MIT, USA<br />

» Australian National University, Australia<br />

» California Institute of Technology, USA<br />

» Moscow State University, Russia<br />

» Universität Jena<br />

» Glasgow University, Great Britain<br />

Lehre (Auszug) Selected Teaching<br />

» Vorlesung „Nonclassical Light“, 2009/10 (Roman Schnabel)<br />

» Vorlesung „Nonclassical Interferometry“, 2010 (Roman Schnabel)<br />

» Seminar „Quantum Interferometry“ (Roman Schnabel)<br />

» Vorlesung „Gravitational Physics“, 2009/10 (Karsten Danzmann)<br />

» Ringvorlesung, International Max Planck Research School on Gravitational Wave<br />

Astronomy<br />

Ultra-stable laser light enables precise<br />

distance measurements. Laser interferometers<br />

can detect a relative position change<br />

of two mirrors that is smaller than a hydrogen<br />

nucleus. The sensitivity of laser interferometers<br />

is even high enough to detect<br />

the quantum mechanical positional uncertainty<br />

of a macroscopic object, for instance<br />

of a thin membrane with a millimeter diameter.<br />

A couple of years ago it was theoretically<br />

shown that the motion of such a<br />

mechanical device can be entangled with<br />

reflected laser light. In 2008, this research<br />

group showed that ultimately even two<br />

» Lecture “Nonclassical Light”, 2009/10 (Roman Schnabel)<br />

» Lecture “Nonclassical Interferometry”, 2010 (Roman Schnabel)<br />

» Seminar “Quantum Interferometry” (Roman Schnabel)<br />

» Lecture “Gravitational Physics”, 2009/10 (Karsten Danzmann)<br />

» Lecture series, International Max Planck Research School on Gravitational Wave<br />

Astronomy<br />

such objects in a laser interferometer can<br />

become entangled with each other (figure).<br />

Within QUEST, this research group proposed<br />

a new interferometer which is particularly<br />

suitable for the observation of the quantum<br />

mechanical properties of macroscopic objects:<br />

a Michelson-Sagnac interferometer,<br />

which is a combination of two well-known<br />

interferometer types. It also permits the investigation<br />

of partially transmissive objects<br />

and enables the application of enhancement<br />

resonators, such as power-recycling<br />

and signal-recycling resonators. The scientists<br />

have already been able to run such an<br />

interferometer with a laser power sufficient<br />

to observe the positional uncertainty of the<br />

membrane inside. The next step will be cooling<br />

of the membrane in order to reduce the<br />

currently too high Brownian motion of the<br />

membrane.


Research Group | Forschungsgruppe<br />

Macroscopic Quantum Objects<br />

Hochstabiles Laserlicht ist hervorragend geeignet, um<br />

Entfernungen zu messen. Laserinterferometer sind in der<br />

Lage, relative Positionsänderungen zweier Spiegel zu detektieren,<br />

die kleiner als ein Wasserstoffatomkern sind. Die<br />

Empfindlichkeit von Laserinterferometern reicht damit aus,<br />

die quantenmechanische Ortsunschärfe eines makroskopischen,<br />

für das bloße Auge gut sichtbaren mechanischen<br />

Oszillators zu messen, zum Beispiel einer dünnen Membran<br />

von einem Millimeter Durchmesser. Vor einigen Jahren<br />

wurde theoretisch gezeigt, dass ein solcher Oszillator mit<br />

reflektiertem Laserlicht verschränkt werden kann. In 2008<br />

hat die Forschungsgruppe gezeigt, dass letztendlich sogar<br />

zwei mechanische Objekte in einem Interferometer miteinander<br />

verschränkt werden können (Abbildung). Im Rahmen<br />

Prinzip der Verschränkungserzeugung zwischen zwei Spiegeln. Zunächst<br />

erzeugt Strahlungsdruck in beiden Interferometerarmen Verschränkung<br />

zwischen der Spiegelbewegung und dem reflektierten Licht. Im<br />

Anschluss wird durch die Interferenz am Strahlteiler und die photoelektrische<br />

Detektion an beiden Ausgangsports die Verschränkung auf die<br />

Schwerpunktsbewegung der beiden Spiegel übertragen. Kopplung an<br />

die Umgebung führt zu Dekohärenz, doch sollte über kurze Zeitspannen<br />

die Verschränkung bestehen bleiben.<br />

Illustration of the principle of entanglement generation between two mirrors. First,<br />

entanglement between the motion of one mirror and the reflected laser light is created<br />

by radiation pressure. Second, interference at the beam splitter and the photo-electric<br />

detection at both output ports can subsequently transfer the entanglement onto the<br />

mirrors’ centre of mass motions. Coupling to the environment leads to decoherence,<br />

however, entanglement should be preserved for short times.<br />

von QUEST ist ein neuartiges Interferometer vorgeschlagen<br />

worden, das besonders geeignet ist, quantenmechanische<br />

Eigenschaften makroskopischer Objekte zu beobachten: ein<br />

Michelson-Sagnac-Interferometer, eine Kombination zweier<br />

bekannter Interferometertypen. Es erlaubt, auch transmittierende<br />

Oszillatoren zu untersuchen, und es ermöglicht<br />

den Einsatz von Überhöhungsresonatoren für Laserleistung<br />

und Messsignal. Das Interferometer kann bereits mit einer<br />

Laserleistung betrieben werden, die ausreicht, die Ortsunschärfe<br />

einer eingebauten Membran zu beobachten. Im<br />

nächsten Schritt soll die Membran auf eine Temperatur<br />

von circa einem Kelvin abgekühlt werden, um die zurzeit<br />

noch zu große Brownsche Bewegung der Membran zu<br />

unterdrücken.<br />

Selected publications | Ausgewählte Publikationen:<br />

» H. Müller-Ebhardt, H. Rehbein, R. Schnabel, K. Danzmann, and Y. Chen, Entanglement of macroscopic test masses and the standard quantum<br />

limit in laser interferometry, Phys. Rev. Lett. 100, 013601 (2008)<br />

» R. Schnabel, H. Müller-Ebhardt, and H. Rehbein, Verschränkte Spiegel, Physik in Unserer Zeit 39, 234 (2008)<br />

» K. Yamamoto, D. Friedrich, T. Westphal, S. Goßler, K. Danzmann, Kentaro Somiya, Stefan L. Danilishin, and R. Schnabel, Quantum noise of a<br />

Michelson-Sagnac interferometer with translucent mechanical oscillator, Phys. Rev. A 81, 033849 (2010)<br />

» B. Abbott et al., Observation of a kilogram-scale oscillator near its quantum ground state, New J. Phys. 11, 073032 (2009)<br />

33


Thomas Damm / QUEST<br />

34<br />

Institut für Theoretische Physik<br />

Leibniz Universität Hannover<br />

Telefon: (+49) (511) 762 17343<br />

E-Mail: temo.vekua@itp.uni-hannover.de<br />

Group Leader | Gruppenleiter<br />

Jun.-<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. Teimuraz Vekua<br />

Weitere Forschungsprojekte Further Research Projects<br />

» Effekte des magnetischen Feldes auf Mott Isolator-Phasen der Spin 3/2 Fermionen und<br />

Spin 1 Bosonen sowohl in 1D als auch 2D<br />

» Effekte quadratischer Zeeman-Koppelung auf spinor superflüssige Phasen für die<br />

attraktiv wirkenden Spin 3/2 Fermionen und Spin 1 Bosonen<br />

» Effects of external magentic field on Mott insulator phases of spin 3/2 fermions and<br />

Spin 1 bosons both in 1D and 2D.<br />

» Spinor superfluid phases for attractively interacting 1D spin 3/2 fermions and spin 1<br />

bosons in the presence of quadratic Zeeman coupling.<br />

Kooperationen Collaborations<br />

» Institute of Magnetism, Academy of Sciences of Ukrain, Kiev, Ukraine<br />

» Andronikashvili Institute of Physics, Tbilisi, Georgien<br />

» Physics Department, University of Fribourg, Fribourg, Schweiz<br />

» Institute of Magnetism, Academy of Sciences of Ukrain, Kiev, Ukraine<br />

» Andronikashvili Institute of Physics, Tbilisi, Georgia<br />

» Physics Department, University of Fribourg, Fribourg, Switzerland<br />

Lehre (Auszug) Selected Teaching<br />

» Vorlesungskurse: Effective theories for one dimensional many body systems: Linear<br />

hydrodynamics , 2009<br />

» Vorlesungskurse: Quantum Phase transitions in low dimensional systems, 2009-2010.<br />

» Vorlesungskurse: Superfluidity in many body systems, 2010<br />

» Vorlesung: Effective theories for one dimensional many body systems: Linear hydrodynamics<br />

and beyond, 2009<br />

» Vorlesung: Quantum Phase transitions in low dimensional systems, 2009-2010.<br />

» Vorlesung: Superfluidity in many body systems, 2010<br />

The junior research group “Condensed<br />

Matter Physics with Cold Gases” investigates<br />

the low temperature properties of strongly<br />

correlated condensed matter systems in reduced<br />

dimensions. Quantum and thermal<br />

fluctuations are particularly strong in systems<br />

with reduced dimensionality and often<br />

mean-field like approaches fail. Mainly linear<br />

hydrodynamic approaches are used and effective<br />

methods beyond the linear hydrodynamics<br />

developed that will allow access<br />

to off-equilibrium dynamical properties of<br />

strongly correlated systems with internal<br />

degree of freedom- spin. Ultra-cold atomic<br />

gases provide an ideal laboratory for the<br />

» Lecture courses: Effective theories for one dimensional many body systems: Linear<br />

hydrodynamics and beyond, 2009<br />

» Lecture courses: Quantum Phase transitions in low dimensional systems, 2009-2010.<br />

» Lecture courses: Superfluidity in many body systems, 2010<br />

» Lecture: Effective theories for one dimensional many body systems: Linear hydrodynamics<br />

and beyond, 2009.<br />

» Lecture: Quantum Phase transitions in low dimensional systems, 2009/2010.<br />

» Lecture: Superfluidity in many body systems, 2010<br />

study of fundamental problems originally<br />

connected with strongly correlated condensed<br />

matter systems. The remarkable<br />

controllability of these systems allows the<br />

interference-free study of complex physics<br />

in a highly controllable way. The aim is<br />

to make predictions that could be tested<br />

in cold gas experiments and unveil poorly<br />

understood, strongly correlated phases of<br />

condensed matter systems ranging from<br />

one-dimensional spinor condensates to<br />

two-dimensional frustrated magnets. The<br />

effects of an external magnetic field on the<br />

Mott insulator phase of spin 1/2 fermions<br />

have been studied. Furthermore, the universality<br />

class of quantum phase transition<br />

induced by magnetic field in attractive spin<br />

1/2 fermions has been described.


Research Group | Forschungsgruppe<br />

Condensed Matter Physics with Cold Gases<br />

Teimuraz Vekua<br />

Die Juniorforschungsgruppe „Condensed Matter Physics<br />

with Cold Gases“ untersucht die Eigenschaften stark korrelierter<br />

Systeme kondensierter Materie bei niedriger Temperatur<br />

in reduzierten Dimensionen. Quanten und thermische<br />

Fluktuationen sind in Systemen mit reduzierter Dimensionalität<br />

besonders stark, und häufig sind Standardmethoden<br />

wie Mean-field nicht anwendbar.<br />

Hauptsächlich werden die hydrodynamische Näherung<br />

verwendet und wirksame Methoden über die Hydrodynamik<br />

hinaus entwickelt, die erlauben werden, auf dynamische<br />

Eigenschaften außerhalb des Gleichgewichts starker<br />

korrelierter Systeme mit dem inneren Freiheitsgrad Spin<br />

zuzugreifen.<br />

Ultrakalte Atomgase stellen eine ideale Bedingung zur<br />

Verfügung, um grundsätzliche Probleme zu studieren, die<br />

Selected publications | Ausgewählte Publikationen:<br />

mit stark korrelierten kondensierten Systemen ursprünglich<br />

verbunden sind. Das erlaubt eine saubere Untersuchung<br />

komplizierter Physik auf hochkontrollierbare Weise. Das Ziel<br />

ist es, Vorhersagen für schlecht verstandene, stark korrelierte<br />

Phasen von kondensierten Systemen zu machen, die in kalten<br />

Gasexperimenten geprüft werden können. Eindimensionale<br />

spinor Kondensate oder zweidimensionale frustrierte<br />

Magnete sind zwei Beispiele aus den Forschungsarbeiten<br />

dieser Arbeitsgruppe. Die Wirkungen des Magnetfeldes auf<br />

die Mott-Isolator-Phasen der Spin-1/2-Fermionen sind bereits<br />

studiert. Weiterhin wurden die Universalitätsklasse des<br />

Quanten-Phasenübergangs induziert und durch das Magnetfeld<br />

bei den attraktiven Spin-1/2-Fermionen beschrieben.<br />

» T. Vekua, Low temperature specific heat of one-dimensional multicomponent systems at the commensurate- incommensurate phase transi-<br />

tion point, Phys. Rev. B 80, 201402(R) (2009)<br />

» T. Vekua, Susceptibility at the edge points of magnetization plateau of one-dimensional electron and spin systems, Phys. Rev. B 80, 104411<br />

(2009)<br />

–k F<br />

» T. Vekua, S. I. Matveenko, and G. V. Shlyapnikov, Curvature effects on magnetic susceptibility of 1D attractive two component fermions, JETP<br />

Lett. 90, 315 (2009)<br />

c(T)=Tln²T<br />

k F<br />

Die thermische Erzeugung unkompensierter spin-up Fermionen<br />

fordert die Vernichtung eines gebundenen Paares von<br />

anziehenden Spin-1/2-Fermionen. Dies führt zu einer logarithmischen<br />

Singularität des spezifischen Wärmekoeffizienten<br />

beim Einsetzen der Magnetisierung.<br />

Thermal creation of un-compensated up-spin fermions requires destruction<br />

of a bound pair of attractively interacting Spin 1/2 fermions. This<br />

results in logarithmic singularity of specific heat coefficient at the onset<br />

of magnetization.<br />

35


Thomas Damm / QUEST<br />

36<br />

Institut für Quantenoptik<br />

Leibniz Universität Hannover<br />

Telefon: (+49) (511) 762-5286<br />

E-Mail: kovacev@iqo.uni-hannover.de<br />

Weitere Forschungsprojekte Further Research Projects<br />

» Erzeugung intensiver few-cycle Pulse im sichtbaren Spektralbereich durch Filamentierung<br />

und die Erforschung der Eigenschaften eines Filaments<br />

» Studium optimaler Phasenanpassungsbedingungen zur effizienten Harmonischen<br />

Erzeugung durch Fundamentalstrahlung im infraroten und ultravioletten Spektralbereich<br />

» Anwendung von few-cycle Pulsen zur Erzeugung von hohen Harmonischen<br />

» Erzeugung hoher Harmonischer Strahlung in Wasser-Einzeltröpfchen<br />

» Molekulare Bildgebung<br />

» Studium von Gasgemischen zur Harmonischen Erzeugung<br />

» Kohärente diffraktive Bildgebung (Zusammenarbeit mit CEA, Saclay, Frankreich)<br />

» Louisana State University, USA<br />

» École Polytechnique, Frankreich<br />

» Laser Laboratorium Göttingen<br />

» Laser Zentrum Hannover e.V.<br />

» Commissariat a l‘Energie Atomique, Frankreich<br />

» Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover<br />

» Fraunhofer IWS, <strong>Dr</strong>esden<br />

Group Leader | Gruppenleiter<br />

Jun.-<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. Milutin Kovačev<br />

» Generation of intense few-cycle infrared pulses by filamentation and research on the<br />

visible light properties of filaments<br />

» Study of optimal phase matching conditions for efficient harmonic generation using IR<br />

as well as UV drivers<br />

» Application of few-cycle pulses to high-order harmonic generation<br />

» Generation of high-order harmonic radiation in water-microdroplets<br />

» Molecular imaging<br />

» Study of gas mixtures for harmonic generation<br />

» Coherent diffraction imaging (Collab. with CEA, Saclay, France)<br />

Kooperationen Collaborations<br />

» Louisana State University, USA<br />

» École Polytechnique, France<br />

» Laser Laboratorium Göttingen<br />

» Laser Zentrum Hannover e.V.<br />

» Commissariat a l’Energie Atomique, France<br />

» Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover<br />

» Fraunhofer IWS, <strong>Dr</strong>esden<br />

Lehre (Auszug) Selected Teaching<br />

» Vorlesungen XUV Laserphysik, Nichtlineare Optik, Ultrakurze Laserpulse<br />

» Optik auf Femto- und Attosekunden Zeitskalen , Aktuelle Probleme der Laserphysik<br />

(Seminare)<br />

» Lectures XUV laser physics, non-linear optics, ultra-short laser pulses<br />

» Optic on femto- and atto-second time scales, Recent problems in laser physics<br />

(seminars)<br />

Nachwuchsförderung Promotion of young researchers<br />

» Konzeption und Aufbau eines Versuchs zur Tribolumineszenz an Zuckerkristallen im<br />

Rahmen eines Schülerpraktikums<br />

» Im Rahmen von UniKik und der GaußAG plus wurde ein Versuch zur Röntgenemission<br />

bzw. Elektronenemission bei Klebefilmen konzipiert und aufgebaut<br />

The research group works experimentally<br />

on quantum engineering of ultrashort<br />

optical pulses for applications in strong field<br />

light-matter interactions. Coherent radiation<br />

from the infrared to the extreme ultraviolet<br />

part of the electromagnetic spectrum is<br />

studied and adapted to specific needs. One<br />

example is the filamentation of intense ultrashort<br />

pulses in the visible spectral region.<br />

The main focus is to provide broad optical<br />

bandwidths allowing for ultrashort pulses<br />

» Design and construction of an experiment to triboluminescence of sugar crystals<br />

(student internship)<br />

» As part of Unik and GaußAG plus an experiment to X-ray emission and electron<br />

emission designed for adhesive films was established<br />

particularly with regard to the shortest pulses<br />

in the attosecond domain. Such pulses<br />

are measured by specialized instrumentation<br />

like charged particle time of flight or<br />

velocity map imaging devices. Attosecond<br />

metrology in combination with charged<br />

particle spectroscopy is used for the study<br />

of ultrafast electron dynamics in atoms, molecules<br />

and solid materials. Another focus is<br />

the investigation of new concepts for efficient<br />

EUV frequency conversion. Phasematching<br />

techniques are investigated as<br />

well as novel target geometries such as single<br />

water droplets. Such novel approaches<br />

can be used for applications like molecular<br />

imaging or high-resolution Fourier spectroscopy<br />

in the soft-X-ray range.<br />

Plasma-Erzeugung in einem Wassertröpfchen<br />

Plasma light generation in a water microdroplet<br />

Heiko Kurz


Daniel Steingrube<br />

Research Group | Forschungsgruppe<br />

Quantum Engineering of Optical Pulses<br />

Erzeugung hoher Harmonischer Strahlung durch ein Weißlicht-Filament.<br />

Generation of high-order harmonic radiation from a white-light filament.<br />

Die Forschungsgruppe arbeitet experimentell im Bereich<br />

der Quantenoptik an der Erforschung ultrakurzer Laserpulse<br />

zur Untersuchung der Wechselwirkung von intensiven<br />

Feldern mit Materie. Im Detail wird kohärente Strahlung,<br />

vom infraroten bis in den extremen ultravioletten Bereich<br />

des elektromagnetischen Spektrums studiert und für spezifische<br />

Zwecke angepasst. Ein Beispiel hierfür ist die Filamentierung<br />

intensiver ultrakurzer Laserpulse. Der Fokus liegt<br />

dabei in der Bereitstellung großer optischer Bandbreiten zur<br />

Erzeugung ultrakurzer Pulse mit einem besonderen Augenmerk<br />

auf die Erzeugung kürzester Pulse im Attosekundenbereich.<br />

Solche Pulse können mit speziellen Instrumenten wie<br />

beispielsweise Flugzeitspektrometern oder der geschwin-<br />

Selected publications | Ausgewählte Publikationen:<br />

Die Forschungsgruppe „Quantum Engineering of Optical<br />

Pulses“.<br />

The Research Group “Quantum Engineering of Optical Pulses”<br />

(im Uhrzeigersinn / clockwise: Emilia Schulz, Tobias Vockerodt, Torsten<br />

Hartmann, Milutin Kovačev, Martin Kretschmar, Hendrik Thering, Heiko<br />

Kurz, Daniel Steingrube)<br />

digkeitsaufgelösten Bildgebung gemessen werden. Attosekunden-Metrologie<br />

in Verbindung mit der Spektroskopie<br />

geladener Teilchen erlaubt die Erforschung der Elektronendynamik<br />

in Atomen, Molekülen und Festkörpern. Ein weiterer<br />

Fokus ist die Erforschung neuer Konzepte zur effizienten<br />

EUV-Frequenzkonversion. Neben verschiedene Techniken<br />

zur Phasenanpassung werden auch völlig neuartige Wechselwirkungsmedien,<br />

wie zum Beispiel einzelne Wassertröpfchen,<br />

erforscht. Diese Konzepte können beispielsweise für<br />

Anwendungen wie die Bildgebung molekularer Strukturen<br />

oder der hochauflösenden Fourier-Spektroskopie im Bereich<br />

der weichen Röntgenstrahlung genutzt werden.<br />

» E. Schulz, T. Binhammer, D. S. Steingrube, S. Rausch, M. Kovačev, and U. Morgner, Intense few-cycle laser pulses from self-compression in a<br />

self-guiding filament, Appl. Phys. B 95, 269–272 (2009)<br />

» D. S. Steingrube, E. Schulz, T. Binhammer, T. Vockerodt, U. Morgner, and M. Kovačev, Generation of high-order harmonics with ultra-short<br />

pulses from filamentation, Opt. Exp. 17, 16177-16182 (2009)<br />

» D. S. Steingrube, T. Vockerodt, E. Schulz, U. Morgner, and M. Kovačev, Phase matching of high-order harmonics in a semi-infinite gas cell, PRA<br />

80, 043819 (2009)<br />

Ude Cieluch<br />

37


Thomas Damm / QUEST<br />

38<br />

Institut für Quantenoptik<br />

Leibniz Universität Hannover<br />

<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. <strong>Wolfgang</strong> <strong>Ertmer</strong><br />

Telefon: (+49) (511) 762-2231<br />

E-Mail: ertmer@iqo.uni-hannover.de<br />

<strong>Dr</strong>. Carsten Klempt<br />

Telefon: (+49) (511) 762-2238<br />

E-Mail: klempt@iqo.uni-hannover.de<br />

Since the time of Heisenberg’s uncertainty<br />

principle published in 1927, it has been<br />

known that physical observables cannot be<br />

measured with arbitrary precision. However,<br />

quantum mechanical states can nonetheless<br />

be engineered to possess observables<br />

with exceptionally small fluctuations—the<br />

so-called squeezed states. Squeezed, nonclassical<br />

states of laser light have recently<br />

made the transition from a research topic<br />

to a tool for precision measurements.<br />

Similarly precision measurements using<br />

atoms instead of photons have improved<br />

dramatically over the past decades. Hence<br />

there is great interest in investigating possible<br />

routes towards the creation of such<br />

squeezed, states of atomic matter waves.<br />

The members of this research group<br />

have investigated a new mechanism to<br />

create such non-classical states using the<br />

Weitere Forschungsprojekte Further Research Projects<br />

» Heteronukleare Feshbach Resonanzen<br />

» Quantenentartete Bose-Fermi-Mischungen<br />

» Ultrakalte Moleküle<br />

» Kontinuierliche Produktion von Bose Kondensaten<br />

» Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover<br />

» Aarhus University, Dänemark<br />

» Institute of Photonic Sciences, Barcelona, Spanien<br />

» Australian National University, Canberra, Australien<br />

Group Leader | Gruppenleiter<br />

<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. <strong>Wolfgang</strong> <strong>Ertmer</strong>, <strong>Dr</strong>. Carsten Klempt<br />

» Heteronuclear Feshbach resonances<br />

» Quantum degenerate Bose-Fermi mixtures<br />

» Ultracold Molecules<br />

» Continuous production of Bose condensates<br />

Kooperationen Collaborations<br />

» Institute for Theoretical Physics, Leibniz Universität Hannover<br />

» Aarhus University, Denmark<br />

» Institute of Photonic Sciences, Barcelona, Spain<br />

» Australian National University, Canberra, Australia<br />

Lehre (Auszug) Selected Teaching<br />

» Vorlesung: Kohärente Optik, 2009/2010<br />

» Vorlesung: Quantenoptik, 2007/2008, 2008/2009, 2009/2010<br />

» Vorlesung: Atomoptik, 2008<br />

» Initiation Club – Graduiertenseminar zu den Grundlagen der ultrakalten Materie<br />

und Quantenoptik<br />

» Gruppenseminar – Seminar zu aktuellen Forschungsergebnissen<br />

» Lecture: Coherent Optics, 2009/2010<br />

» Lecture: Quantum Optics, 2007/2008, 2008/2009, 2009/2010<br />

» Lecture: Atom Optics, 2008<br />

» Initiation Club—Graduate seminar on the basics of ultracold matter<br />

and quantum optics<br />

» Group Seminar—Seminar on recent scientific achievements<br />

matter wave counterpart of the laser, the<br />

Bose-Einstein condensate (BEC). Atomic<br />

BECs consist of ultracold atoms in the gaseous<br />

phase, which all share exactly the same<br />

quantum state. The scientists created a BEC<br />

of Rubidium atoms, which can be oriented<br />

in a magnetic field analogously to small<br />

magnets. Starting with all atoms oriented<br />

horizontally, it has been shown that atomic<br />

pairs are created spontaneously with an up/<br />

down orientation. This process is due to the<br />

amplification of the inherent vibrations of<br />

the vacuum, the so-called vacuum fluctuations.<br />

At the moment, measurements are<br />

in progress to show that the produced up/<br />

down atom pairs have squeezed observables.<br />

Finally, the new non-classical states of<br />

matter will be used to build a prototype interferometer<br />

that is able to benefit from the<br />

suppression of fluctuations.


Stefan Jöllenbeck<br />

Research Group | Forschungsgruppe<br />

Non-Classical States of Matter<br />

Vakuumkammer mit hochreflektierender differentieller Pumpstufe<br />

(Bildmitte) zur Erzeugung einer 2D-magneto-optischen<br />

Falle mit hohem Atomfluss im Chip-Experiment.<br />

Vacuum chamber with highly reflecting differential pumping stage<br />

(center) for the production of a 2D-magento-optical trap with high<br />

atomic flux in the Chip-experiment.<br />

Seit der Heisenberg‘schen Unschärferelation<br />

von 1927 ist bekannt, dass physikalische Observable<br />

nicht mit beliebiger Präzision gemessen<br />

werden können. Nichtsdestotrotz können quantenmechanische<br />

Zustände mit außergewöhnlich<br />

kleinen Fluktuationen erzeugt werden – sogenannte<br />

gequetschte Zustände. Laserlicht in<br />

gequetschten, nicht-klassischen Zuständen hat<br />

gerade den Sprung vom Forschungsobjekt zum<br />

Präzisions-Messwerkzeug bewältigt. Ergänzend<br />

dazu haben sich die Präzisionsmessungen mit<br />

Atomen anstatt Photonen in den letzten Jahrzehnten<br />

dramatisch verbessert. Es ist daher von<br />

besonderem Interesse, mögliche Wege zur Er-<br />

zeugung solcher gequetschter Materiewellen zu<br />

erforschen.<br />

In dieser Arbeitsgruppe wird ein neuer Prozess<br />

zur Erzeugung gequetschter Materiewellen<br />

untersucht, basierend auf dem Pendant des optischen<br />

Lasers, dem Bose-Einstein-Kondensat (BEC).<br />

Atomare BECs bestehen aus ultrakalten, gasförmigen<br />

Atomen, die sich alle im gleichen Quantenzustand<br />

befinden. Die Forscher haben ein BEC<br />

aus Rubidium-Atomen erzeugt, die sich im Magnetfeld<br />

wie kleine Magnete ausrichten lassen. Zunächst<br />

wurden alle Atome horizontal ausgerichtet.<br />

In diesem Fall haben sich spontan atomare<br />

Paare gebildet, die zueinander entgegensetzt auf-<br />

Selected Publications | Ausgewählte Publikationen:<br />

und abwärts gerichtet sind. Dieser Prozess lässt<br />

sich theoretisch durch die Verstärkung von inhärenten<br />

Schwingungen des Vakuums beschreiben,<br />

den sogenannten Vakuumfluktuationen. Zurzeit<br />

werden Messungen durchgeführt, um zu zeigen,<br />

dass die produzierten auf- und abwärtsgerichteten<br />

Atompaare tatsächlich über gequetschte<br />

Observable verfügen. Schließlich soll mit diesen<br />

neuen, nicht-klassischen Zuständen ein Prototyp<br />

eines Interferometers realisiert werden, dessen<br />

Präzision von den unterdrückten Fluktuationen<br />

profitiert.<br />

» C. Klempt, O. Topic, G. Gebreyesus, M. Scherer, T. Henninger, P. Hyllus, W. <strong>Ertmer</strong>, L. Santos, and J. Arlt, Parametric amplification of vacuum fluctuations in a spinor condensate, Phys.<br />

Rev. Lett. 104, 195303 (2010)<br />

» C. Klempt, O. Topic, G. Gebreyesus, M. Scherer, T. Henninger, P. Hyllus, W. <strong>Ertmer</strong>, L. Santos, and J. Arlt, Multi-resonant spinor dynamics in a Bose-Einstein condensate, Phys. Rev. Lett.<br />

103, 195302 (2009)<br />

» C. Klempt, T. Henninger, O. Topic, M. Scherer, L. Kattner, E. Tiemann, W. <strong>Ertmer</strong>, and J. Arlt, Radio frequency association of heteronuclear Feshbach molecules, Phys. Rev. A 78,<br />

061602(R) (2008)<br />

Oliver Topic<br />

Zwei Milliarden Rubidium-Atome (rot, in der Mitte der Glaszelle),<br />

in einer durch mit UV-Licht induzierten Desorption<br />

unterstützten, magneto-optischen Falle gefangen.<br />

Two billion rubidium atoms (red, in the middle of the glas cell) captured<br />

in a magneto-optical trap with UV-light induced desorption.<br />

Grafische Darstellung der experimentellen Mess-Sequenz<br />

zum Nachweis von Vakuumfluktuationen in Spinor-Bose-<br />

Einstein-Kondensaten.<br />

Sketch ot the experimental measurement sequence to demonstrate the<br />

existence of vacuum fluctuations in Spinor Bose Einstein condensates.<br />

Fotos? us: Las. Phys., 20; 1; 2010<br />

39

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