Prof. Dr. Wolfgang Ertmer - quest
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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 />
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