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Max-Planck-Institut für Quantenoptik
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Wissenschaftliches Profil

Forschung am Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Licht verhält sich mal wie eine elektromagnetische Welle, mal wie ein Schauer aus masselosen Teilchen, sogenannten Photonen, je nachdem, unter welchen Bedingungen es untersucht oder verwendet wird. Materie wiederum besteht zwar aus Partikeln, kann aber dennoch Welleneigenschaften aufweisen, die zu überraschenden Phänomenen im Mikrokosmos führen.

An unserem Institut untersuchen wir die Wechselwirkung von Licht mit Quantensystemen und erkunden dabei Bereiche, in denen sich Licht und Materie sowohl als Welle als auch als Teilchen manifestieren. So experimentieren wir auf der einen Seite mit Licht aus einzelnen Photonen, das ganz andere Interferenz-Eigenschaften hat als ein intensiver Lichtstrahl. Kühlen wir auf der anderen Seite Ensembles von Materieteilchen, die Masse haben, auf extrem tiefe Temperaturen ab, dann beobachten wir plötzlich Phänomene, die auf die Wellennatur der Teilchen zurückgehen. Verwenden wir schließlich extrem kurze und hochintensive Lichtpulse, die Billiarden von Photonen enthalten, dann spielt die Teilchennatur des Lichtes keine Rolle mehr. Wir nutzen die großen elektromagnetischen Lichtfelder, um die Bewegung von Elektronen in Molekülen zu steuern oder um Elektronen auf relativistische Energien zu beschleunigen.

Unter diesen Gesichtspunkten lässt sich die Forschung am MPQ folgenden Schwerpunkten zuordnen:

Quantenmaterie bei extrem niedrigen Temperaturen
Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme, Prof. Immanuel Bloch

Systeme aus vielen Quantenteilchen können bei extrem tiefen Temperaturen (etwa ein Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt) bizarre Eigenschaften annehmen, die auf die Wellennatur der Teilchen zurückgehen. So können sich die Teilchen alle zusammen wie ein riesiges Superatom verhalten, das so überraschende Eigenschaften wie Suprafluidität oder makroskopische Interferenz zeigt. Diese und andere exotische Eigenschaften sind von fundamentalem Interesse für das Verständnis der Quantenphysik. Überlagert man diesen Systemen optische Gitter, dann können sie als Modelle für Festkörperkristalle dienen, anhand derer magnetische und elektrische Eigenschaften besser verstanden werden können. Unter bestimmten Bedingungen lassen sich Atome in optischen Gittern auch als potentielle Speicherbausteine für Quanteninformation nutzen.

Grundlagen der Quantenoptik
Abteilung Theorie, Prof. J. Ignacio Cirac

Im Unterschied zu klassischen Teilchen können sich Quantenteilchen in zwei Zuständen gleichzeitig befinden. Ein Quantenbit kann also nicht nur die Werte 0 und 1, sondern alle möglichen Kombinationen davon annehmen. Wie diese der Intuition zuwider laufende Eigenschaft für die Übertragung und Verarbeitung von Quanteninformation genutzt werden kann, ist zentrales Thema der Abteilung Theorie. Hier entwerfen die Wissenschaftler neue Konzepte, um Quantencomputer und Kommunikationsgeräte zu verwirklichen, die Informationen besonders sicher und effektiv verarbeiten und übertragen.

Ein weiterer Schwerpunkt der Abteilung Theorie sind komplexe Systeme aus vielen Quantenteilchen, deren mannigfaltige Wechselwirkungen zu neuen Zuständen von Materie führen können. Mit neuen theoretischen Werkzeugen können diese Systeme charakterisiert und ihre Eigenschaften unter dem Einfluss von Licht beschrieben werden.

Attosekunden- und Hochfeldphysik/
Experimente auf extrem kurzen Zeitskalen
Abteilung Attosekundenphysik, Prof. Ferenc Krausz

Die Wechselwirkung von Elektronen miteinander oder mit Licht in Materie vollzieht sich innerhalb von Attosekunden – das sind Milliardstel von einer Milliardstel Sekunde. Diese unvorstellbar kleine Zeitdauer verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums! MPQ-Wissenschaftlern gelang es erstmals, intensive Laserpulse, bei denen die Form des elektrischen Feldes mit Attosekunde-Präzision kontrolliert ist, sowie extrem ultraviolette Lichtblitze mit Attosekunden-Dauer zu erzeugen und zu messen. Sie nutzen diese neuartigen Werkzeuge, um die Bewegung von Elektronen auf atomarer Skala zu steuern und in Echtzeit zu beobachten, und zwar in allen auftretenden Formen von Materie: in Atomen, Molekülen und Clustern sowie in Festkörpern und Plasmen. Bei extrem hohen Laserintensitäten beschleunigen MPQ-Wissenschaftler Elektronen und Ionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Sie verfolgen damit das Ziel, kompakte brillante Teilchenquellen für Anwendungen in der Physik, der Biologie und der Medizin zu entwickeln.

Experimente mit einzelnen Photonen und einzelnen Atomen/Quanteninformation
Abteilung Quantendynamik, Prof. Gerhard Rempe

Ein Kubikzentimeter Luft enthält rund 1020 Atome, und etwa 1020 Photonen (Lichtquanten) werden in der Sekunde von einer Glühbirne ausgestrahlt. Am MPQ aber gelingt es, mit einzelnen Photonen und einzelnen Atomen zu experimentieren und deren Wechselwirkung untereinander zu kontrollieren. Solche Experimente sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Quantencomputer, in dem Quantenteilchen (z. B. Atome, Moleküle oder Photonen) als Quantenbits zum Speichern und Übertragen von Quanteninformation dienen. Besonders vielversprechend sind hybride Systeme, in denen einzelne Photonen die Quanteninformation auf individuelle Atome übertragen, die in optischen Resonatoren höchster Güte gespeichert sind. Atom und Photon können hier unter bestimmten Voraussetzungen ein logisches Quantengatter bilden, das funktionelle Grundelement eines Quantencomputers. Mehrere solcher „Knoten“ lassen sich zu einem ausgedehnten Quantennetzwerk verknüpfen.

Hochpräzise Laserspektroskopie von Wasserstoff
und ähnlichen Elementen
Emeritus Gruppe Laserspektroskopie, Prof. Theodor W. Hänsch

Aufgrund seiner einfachen Struktur ist das Wasserstoffatom das ideale Testobjekt für die Quantenelektrodynamik, die die Wechselwirkung von Licht und Materie theoretisch beschreibt. Im Rahmen der spektroskopischen Untersuchungen wurde die Frequenzkammtechnik entwickelt, für die Prof. T.W. Hänsch mit dem Nobelpreis für Physik 2005 ausgezeichnet wurde. Mit dem Ziel, die grundlegenden physikalischen Gesetze noch genauer zu überprüfen, dehnt die Abteilung von Prof. Hänsch diese Untersuchungen jetzt auch auf Anti-Wasserstoff, myonischen Wasserstoff und andere wasserstoffähnliche Elemente aus. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf Naturkonstanten wie die Feinstrukturkonstante oder den Ladungsradius des Protons ziehen.

Der Frequenzkamm hat mittlerweile eine Reihe von Anwendungen gefunden, etwa bei der Kalibrierung von Spektrographen in großen erdgebundenen Teleskopen, oder bei der „Dual Comb“-Spektroskopie von komplexen Molekülen.

 
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