Johannes Gutenberg-Universität Mainz > Fachbereich 08 > Physik > Physikforschung > Forschungsfelder > Atom- & Quantenphysik
Die Forschung auf dem Gebiet der Quantenphysik und Quanteninformation an der JGU Mainz beschäftigt sich mit kontrollierten Quantensystemen, wie z.B. gefangenen Ionen, ultrakalten Atomen und maßgeschneiderten quantenoptischen Systemen. Ziel ist es, Quantenzustände präzise zu manipulieren und zu erforschen, um neue Ansätze für Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantensimulation zu entwickeln sowie grundlegende Phänomene der Quantenmechanik besser zu verstehen.
Dieses Experiment konzentriert sich auf die Entwicklung einer skalierbaren Quanteninformationsverarbeitung, wobei Ionen-Qubits, Verschränkung und segmentierte Ionenfallen, in denen Quantenregister betrieben werden, zum Einsatz kommen. Siehe auch das EU-Flaggschiff-Projekt
Wärmekraftmaschinen sind Geräte, die thermische Energie in mechanische Arbeit umwandeln und typischerweise eine große Anzahl von Teilchen verwenden. Wir arbeiten an der Entwicklung solcher Maschinen, die nur ein einziges Atom als Arbeitsmittel verwenden.
Wir entwickeln Methoden für die Anwendung von gefangenen Rydberg-Ionen in Experimenten zur Quanteninformationsverarbeitung (siehe diese Übersichtsarbeit). Gefangene Rydberg-Ionen weisen mehrere wichtige Eigenschaften auf, die in ihrer Kombination einzigartig sind: Ionen in einer Paul-Falle sind fest in einem harmonischen Potential gebunden, in dem ihre internen und externen Freiheitsgrade präzise kontrolliert werden können (siehe hier). Es wurde gezeigt, dass sich sowohl die internen als auch die Bewegungszustände der Ionen mit hoher Genauigkeit präparieren lassen, und die internen Zustände wurden zur Speicherung und Manipulation von Qubit-Informationen verwendet – siehe unser Quantencomputer-Projekt.
TACTICa verwendet Methoden der Atomphysik zur Untersuchung von Thoriumisotopen, einschließlich des metastabilen niederenergetischen Kernzustands von 229mTh. Der optische Grundzustandsübergang von isomerem 229Th ist der einzige Kernübergang, der potenziell mit Lasern untersucht werden kann. Die Kontrolle dieses Übergangs eröffnet ein interessantes Fenster für hochpräzise Tests des Standardmodells und für mögliche Veränderungen der Fundamentalkonstanten. Daher zielt TACTICa darauf ab, Ioneneinfangtechniken wie die Quantenlogikspektroskopie einzusetzen, um Zugang zur Kernstruktur von Thorium zu erhalten.
Wir verwenden Dysprosiumatome, das Element mit dem stärksten magnetischen Moment im Periodensystem, um zu untersuchen, wie sich die Lichtausbreitung in dichten, ultrakalten Medien verändert. Wenn die Abstände zwischen den Atomen kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, bestimmen hauptsächlich lichtinduzierte und magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen die Dynamik. Dies führt zu kollektiven Effekten wie Superradianz und Subradianz. Mit fortschrittlichen Techniken wie dem kontrollierten Atomtransport in hochpräzisen optischen Dipolfallen und objektivbasierter Mikrofokussierung untersuchen wir speziell den Übergang von individuellem zu kooperativem Verhalten. Unser Ziel ist es, ein tieferes Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkungen in stark dipolaren Systemen zu erlangen.
Die Präzisionsspektroskopie enthüllt die subtilen Aspekte unseres Universums mit hervorragender Auflösung. Mithilfe von Präzisionslaser- oder Mikrowellenspektroskopie bestimmen wir die Eigenschaften des Protons und der Atomkerne, wie z.B. Thoriumionen und untersuchen damit die Symmetrien des Standardmodells.
Das GravNet-Projekt („A Global Network for the Search for High Frequency Gravitational Waves“) schlägt eine Brücke zwischen der Teilchenphysik und der Gravitationswellenphysik. Es zielt darauf ab, ein globales Netzwerk von Detektoren zu errichten, das auf die Suche nach hochfrequenten Gravitationswellen ausgerichtet ist. Dieses Detektornetzwerk könnte dazu beitragen, eine der größten ungelösten Fragen der modernen Physik zu beantworten: die Natur der dunklen Materie.
In myonischen Atomen werden alle Elektronen durch ein einziges negatives Myon ersetzt. Aufgrund seiner großen Masse umkreist das Myon den Atomkern mit einem 200-mal kleineren Bohr-Radius, was zu einer 10 Millionen Mal größeren Empfindlichkeit der Energieniveaus myonischer Atome gegenüber der Kernstruktur, wie der Kernladung oder den Magnetisierungsradien, führt. Derzeit streben wir im Rahmen des CREMA/HyperMu-Projekts eine Präzisionsmessung der magnetischen Struktur von Protonen und bis zu zehnmal genauere Ladungsradien der leichtesten Kerne von Lithium bis Neon und darüber hinaus an (QUARTET Collaboration).
TACTICa verwendet Methoden der Atomphysik zur Untersuchung von Thoriumisotopen, einschließlich des metastabilen niederenergetischen Kernzustands von 229mTh. Der optische Grundzustandsübergang von isomerem 229Th ist der einzige Kernübergang, der potenziell mit Lasern untersucht werden kann. Die Kontrolle dieses Übergangs eröffnet ein interessantes Fenster für hochpräzise Tests des Standardmodells und für mögliche Veränderungen der Fundamentalkonstanten. Daher zielt TACTICa darauf ab, Ioneneinfangtechniken wie die Quantenlogikspektroskopie einzusetzen, um Zugang zur Kernstruktur von Thorium zu erhalten.
Die Forschung an der JGU Mainz im Bereich Quanten-Sensorik entwickelt und nutzt hochsensitive Messverfahren, die auf quantenmechanischen Effekten basieren. Mit Techniken wie optisch gepumpten Magnetometern, Spinspektroskopie und präzisen Messungen an Atomen, Molekülen und Festkörpern werden winzigste Magnetfelder, Rotationen und andere physikalische Größen detektiert. Diese Sensoren ermöglichen nicht nur Anwendungen in Navigation, Materialwissenschaften und Medizin, sondern dienen auch als Präzisionstools zur Untersuchung fundamentaler Naturkonstanten, Symmetrien und möglicher neuer Physik.
Wir entwickeln und führen Experimente mit ultrakalten Atomen in der Mikrogravitation durch, um die Leistungsfähigkeit von Anwendungen der Quantentechnologie unter diesen einzigartigen Bedingungen zu untersuchen. Atominterferometer und Quantensensoren werden im Fallturm in Bremen, auf Höhenforschungsraketen und an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) eingesetzt. Diese Experimente ermöglichen hochpräzise Messungen von fundamentalen Konstanten, Gravitationseffekten und Trägheitskräften. Diese Arbeit eröffnet neue Perspektiven für die Grundlagenforschung und zukünftige satellitengestützte Quantentechnologien.
