Kurzfassung
Geometrische Fluktuationen in Dimeren führen zu einer Symmetriebrechung, die verbotene Prozesse ermöglichen kann. Wir zeigen, dass Winkelfluktuation in der dipolaren Anordnung eines nicht chiralen Moleküls zu einer chiralen Symmetriebrechung führen. Das lineare, chirale Signal verschwindet, während bestimmte chirale, optische 2D Signale, aufgrund geometrischer Fluktuationen, endlich sind. Wartezeitabhängige Messungen des 2D Signals erlauben eine experimentelle Bestimmung der Korrelationszeit der Fluktuationen.
Wir untersuchen die Dynamik eines Zwei-Zustands-Systems unter dem Effekt von Nichtgleichgewichtsfluktuationen. Wir finden eine nicht-triviale Abhängigkeit der Relaxations- und Dephasierungsraten, die mit der Struktur des ungestörten Systems zusammenhängt. Wir bestimmen die Korrelationsfunktion der Nichtgleichgewichtsfluktuationen und erhalten eine verallgemeinerte Nichtgleichgewichtsfluktuations-Relation, welche das Fluktuations-Dissipations-Theorem beinhaltet.
Im Anschluss betrachten wir ein hybrides Quanten-Vielteilchensystem, bestehend aus einer Vibrationsmode einer Nanomembrane, die optomechanisch mit dem Licht in einer Kavität wechselwirkt, und einem ultrakaltem atomaren Gas im optischen Gitter des ausgekoppelten Lichts. Eine adiabatische Eliminierung des Lichts ergibt eine effektive Wechselwirkung zwischen Atomen und Membran, die auf zwei Weisen realisiert werden kann.
Zunächst kann die Schwerpunktsbewegung der Atome im Gitter an die Vibration der Membran gekoppelt werden. Die effektive Wechselwirkung kann mithilfe der Lichtintensität variiert werden. Oberhalb einer kritischen Intensität finden wir einen kontinuierlichen Nichtgleichgewichts-Quantenphasenübergang von einem lokalisierten symmetrischen Zustand der Atomwolke zu einem versetzten, Symmetrie gebrochenen Zustand. Die Energie der niedrigsten kollektiven Anregungsmode verschwindet und eine starke Verschränkung zwischen Membran und Kondensat wird beobachtet.
Zudem kann ein interner Übergang zwischen zwei Zuständen der Atome an die Membran gekoppelt werden. In diesem Fall finden wir, dass sowohl ein Nichtgleichgewichts-Quantenphasenübergang zweiter Ordnung als auch einer erster Ordnung vorliegt. Die emergente, Symmetrie gebrochene Phase ist durch eine deutliche Besetzung des energetisch-höheren internen Zustands und einer verschobenen Membran charakterisiert. Die Ordnung kann beeinflusst werden, indem die atomare Übergangsfrequenz variiert wird. Weiterhin zeigen wir, dass die nanomechanische Mode durch die atomare Rückkopplung der internen Anregungen gequetscht werden kann. In einem Bogoliubov Ansatz zeigt sich, dass diese internen Anregungen eine fluktuierende Umgebung für die Membran formen.
We investigate the impact of fluctuations on the dynamics of very different systems. Geometric fluctuations in dimer molecules cause symmetry breaking that can enable otherwise forbidden processes. We demonstrate that angular fluctuations in the dipolar arrangement of a non-chiral molecule are associated with chirality symmetry breaking. The linear chiral response which depends on the average geometry thus vanishes, yet certain 2D chiral optical signals are finite due to geometric fluctuations. The correlation time of these fluctuations can be experimentally revealed by the waiting time dependence of the 2D signal. Further, we analyze the dynamics of a quantum two-state system affected by nonequilibrium quantum fluctuations. We find a nontrivial dependence of the relaxation and dephasing rates of the two-state system due to the nonequilibrium fluctuations which is directly linked to the structure of the unperturbed central system. By means of Heisenberg--Langevin equations of motion, we calculate the correlation function of the nonequilibrium fluctuations and obtain a generalized nonequilibrium fluctuation relation which includes the equilibrium fluctuation-dissipation theorem. In the following, we consider a hybrid quantum many-body system formed by a vibrational mode of a nanomembrane, which interacts optomechanically with light in a pumped cavity, and a distant ultracold atom gas in the optical lattice of the outcoupled light. The adiabatic elimination of the light field yields an effective coupling between atoms and membrane which can be realized in two ways. First, the center-of-mass motion of the atom gas in the lattice can be coupled to the motion of the membrane. By changing the pump strength, the effective atom-membrane coupling can be tuned. Above a critical intensity, we find a second-order nonequilibrium quantum phase transition from a localized symmetric state of the atom cloud to a shifted symmetry-broken state, the energy of the lowest collective excitation vanishes, and a strong atom-membrane entanglement arises. Second, the membrane can be coupled to a transition between two internal states of the atoms. We show that this coupling scheme allows for first- and second-order nonequilibrium quantum phase transitions. The emergent symmetry-broken phase is characterized by a sizeable occupation of the high-energy internal state and a displaced membrane. The order of this phase transition can be changed by tuning the transition frequency. In addition, we show that the mechanical mode can be squeezed by the back-action of internal excitations of the atoms in the gas. A Bogoliubov approach reveals that these internal excitations form a fluctuating environment of quasi-particle excitations for the mechanical mode with a gaped spectral density. Interestingly, mechanical squeezing is enhanced by atomic interactions.