Innerhalb dieses Forschungsgebiets widmet sich die Arbeitsgruppe Theoretische Quantenoptik der Beschreibung der Dynamik von Quantengasen. Hierbei ist nicht nur die effektive nichtlineare Dynamik im Rahmen einer Mean-Field-Näherung von Interesse, sondern darüberhinausgehend auch die Atom-Licht- sowie die Atom-Atom-Wechselwirkung. Solche Wechselwirkungen, obwohl schwer zu kontrollieren, können jeweils als Ressourcen dienen, um besonders sensitive aber auch diffizile Quantenzustände zu erzeugen. Genau wie optische quantenmechanische Zustände die Sensitivität von Gravitationswellenantennen erhöhen können, können verwandte Zustände von Quantengasen genutzt werden, um den Betrieb von Atominterferometern in neuen Regimen zu ermöglichen und zu untersuchen.
Neben diesen nichtlinearen Aspekten von Vielteilchensystemen werden in diesem Bereich auf optischen Gittern in ungewöhnlichen Konfigurationen neuartige Streumechanismen entwickelt und simuliert. Solche Ansätze bieten neue Möglichkeiten für Sensoren, die gleichzeitig sensitiv auf Beschleunigungen in unterschiedliche Raumrichtungen sind und so das Tor zu mehrdimensionaler Inertialsensorik öffnen.
Um die Interferometerzeiten von Atominterferometern in erdgebundenen Aufbauten zu verlängern und dadurch ihre Sensitivität zu erhöhen, stellen levitierte, halb-geführte oder geführte Geometrien einen vielversprechenden Ansatz dar. Dies führt natürlich zu einer wesentlich anderen Dynamik der Quantengase innerhalb von Wellenleitern als im freien Fall, die untersucht und abgeschätzt werden muss. Grundsätzlich gibt es bei geführten Materiewellen die Möglichkeit, Potentialbarrieren zu errichten und Strahlteiler oder Resonatoren zu erzeugen, die auf dem Tunneleffekt basieren.
Als weiteren Punkt setzt sich die Arbeitsgruppe mit der quantenmechanischen Dynamik relativistischer Elektronen in periodischen Lichtfeldern auseinander und lotet deren Möglichkeiten als neue Strahlungsquellen aus.