Kritsana Srakaew: Mit Rydberg-Wechselwirkungen Quantensysteme erforschen
Die Physik langreichweitiger Wechselwirkungen – eine Doktorarbeit über Quantenphasen und Licht-Materie-Kopplung
In seiner Doktorarbeit untersuchte der Forscher, wie sich die langreichweitigen Wechselwirkungen von Rydberg-Atomen in Quanten-Vielteilchensystemen nutzen lassen. Im Fokus standen zwei zentrale Szenarien: nanoskalige Atomgitter und itinerante Hubbard-Systeme. Seine Ergebnisse zeigen, wie Rydberg-Wechselwirkungen Quantensysteme formen, und eröffnen neue Möglichkeiten, Licht-Materie-Wechselwirkungen gezielt zu steuern und komplexe Quantenphasen besser zu verstehen.
Rydberg-Atome besitzen hoch angeregte Elektronenzustände und können über große Distanzen miteinander wechselwirken. Damit sind sie ideale Modelle, um fundamentale Quantenphänomene zu untersuchen. Kritsana nutzte diese Wechselwirkungen in zweidimensionalen subwellenlängigen Atomgittern. Mit einem einzelnen Rydberg-Atom manipulierte er die starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und konnte das System so für Sondenphotonen entweder transparent oder reflektierend machen – damit funktionierte das System wie ein optischer Schalter. Seine Forschung lieferte zudem Hinweise, dass sich einzelne Atome und Photonen kontrolliert zur Wechselwirkung bringen lassen – eine Grundlage, um Licht und Materie gezielt zu verschränken.
Im zweiten Teil seiner Arbeit untersuchte Kritsana, wie sich diese Wechselwirkungen mit dem sogenannten itineranten eindimensionalen Hubbard-Modell kombinieren lassen, das die Bewegung von Teilchen in einem eindimensionalen System beschreibt. Er nutzte die Technik des „Rydberg-Dressings“, bei der Atome schwach mit Rydberg-Zuständen gekoppelt werden, um die Stärke der Wechselwirkung präzise zu steuern. Normalerweise führen Wechselwirkungen zwischen Rydberg-Atomen zu einem schnellen Zerfall des Systems. Indem er die Wechselwirkungen in kurzen Abständen aktivierte und deaktivierte – im Englischen wird das als „Pulsing“ bezeichnet – , verlängerte er die Lebensdauer des wechselwirkenden Atomensembles. So konnte er repulsiv gebundene Atompaare beobachten: Teilchen, die trotz gegenseitiger Abstoßung eine stabile Bindung eingehen. Zudem entdeckte der Physiker, dass man die Anordnung der Atome beinflussen kann, indem man die Stärke der Wechselwirkung variiert. Dadurch konnte er Übergänge zwischen verschiedenen geordneten Phasen sichtbar machen, die neue Wege zur Erforschung komplexer Quantenphasen eröffnen.
Kritsana Srakaew promovierte unter der Betreuung von Johannes Zeiher und Immanuel Bloch. „Fünf Jahre lang habe ich in einem inspirierenden Umfeld gearbeitet – mit modernster Infrastruktur und einem Team, das von Zusammenarbeit und Kreativität lebt“, erklärt der Wissenschaftler.
What’s next?
Kritsana Srakaew wird seine Forschung als Postdoktorand am Institute for Molecular Science in Japan fortsetzen. Auch in Zukunft möchte er neuartige Quantenphänomene mit Rydberg-Wechselwirkungen erforschen und zur Weiterentwicklung der Quanten-Vielteilchenphysik und Quanteninformatik beitragen. „Meine Zeit am MPQ war unglaublich bereichernd. Ich freue mich darauf, das Wissen und die Erfahrung, die ich hier gesammelt habe, in meine zukünftige Forschung einzubringen“, kommentiert er.
