Photonen - die Elementarteilchen des Lichts - sind im freien Raum frei von jeder Art von gegenseitiger Wechselwirkung. Während diese grundlegende Eigenschaft des Lichts entscheidend für den Erfolg der modernen optischen Kommunikation ist, könnte die Fähigkeit, synthetische Wechselwirkungen zwischen Photonen zu erzeugen, wie die zwischen Elektronen in elektronischen Schaltkreisen, neue Möglichkeiten für die Quanten-Wissenschaft und -Technologie eröffnen. In unserer Forschung untersuchen wir die Kopplung von Licht an verschiedene optische Grenzflächen und untersuchen, wie unter solchen Bedingungen effektive Wechselwirkungen zwischen Photonen entstehen können. Zu diesem Zweck untersuchen wir die Auswirkungen der starken Teilchenwechselwirkungen zwischen Atomen und in Festkörpersystemen oder kollektiven optischen Phänomenen und verwenden numerische Simulationen und fortgeschrittene analytische Techniken.

Effektive Wechselwirkungen zwischen Photonen können in einer Reihe von physikalischen Systemen auftreten, z. B. in atomaren Gasen (links), in regelmäßigen Anordnungen von eng beieinander liegenden Atomen (Mitte) oder in halbleitenden Materialien (rechts).

Nicht alle Eigenschaften der Materie lassen sich rein durch die klassische Physik in Form von Teilchen beschreiben, die den Newtonschen Gesetzen folgen. Zum Beispiel kann man Atome heutzutage auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen, wo sie ihren klassischen Charakter verlieren und sich stattdessen wie Elektronen in einem Festkörper verhalten oder eine Quantenflüssigkeit, ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, bilden. Unsere immer weiter fortschreitende Fähigkeit, solche ultrakalten Atome zu kontrollieren, hat ein breites Spektrum an Grundlagenforschung ermöglicht und bildet das Rückgrat für die Entwicklung von Quantentechnologien, Quantensimulationen, Quantencomputern und quantengestützter Sensorik. In unserer Forschung untersuchen wir die Erzeugung und Kontrolle atomarer Wechselwirkungen durch externe Felder oder Laserlicht und erforschen ihre faszinierende und oft überraschende Auswirkungen auf die Eigenschaften dieser kalten Quantenmaterie.

Eine Quanten-Flüssigkeit aus Teilchen mit Dipol-Dipol-Wechselwirkungen kann bei Temperaturerhöhung einen so genannten Superfestkörper bilden, d. h. sie kann durch Erhitzen kristallisieren (Nature Comm. 14, 1868 (2023), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster).