Kollektive Effekte in der Emission von Halbleitermikrokavitäten

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Alexander Aßmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167777060

Der vorliegende Antrag zielt darauf ab, kollektive Effekte in der optischen Emission von Halbleitermikrokavitäten eingehend zu untersuchen. Neben der tatsächlichen Anwendung moderner Spektroskopietechniken auf Halbleitersysteme steht hierbei auch das Erarbeiten neuer Spektroskopietechniken im Vordergrund. Als in Dortmund entwickelte Technik ist die Photonkorrelationsspektroskopie mittels einer Streakkamera hier die Technik der Wahl. Sie ermöglicht Messungen statistischer Abhängigkeiten von Photonenemissionsprozessen mit einer Zeitauflösung von zwei Pikosekunden. Als komplementäre Messtechnik soll diesem Verfahren die Korrelationsmessung mittels homodyner Detektion zur Seite gestellt werden. Diese bietet eine bessere Zeitauflösung von bis zu 100 Femtosekunden und ist phasensensitiv, benötigt aber auch eine mit hohem Aufwand verbundene Auswertung. Die zu untersuchenden Systeme bilden hierbei vor allem mikrokavitätsbasierte Quantenpunktlaser und kolloidale Nanostrukturen, sogenannten Nanoplatelets. Bei Quantenpunktlasern geht es um die Frage, wie sich die Kohärenz während eines Pulses aufbaut. Zu Beginn eines Pulses befinden sich noch viele Quantenpunkte im angeregten Zustand, so dass eine kollektive Wechselwirkung mit dem Lichtfeld in der Kavität wahrscheinlich erscheint. Diese sollte sich in einer kurzfristigen deutlichen Überhöhung des Rauschens des emittierten Lichts zu frühen Zeiten bemerkbar machen. Zusammen mit systematischer Variation der Kavitätsmode relativ zu den Quantenpunkten werden die Ergebnisse ein vertieftes Verständnis der Dynamik in Quantenpunktlasern ermöglichen. Kolloidale Nanoplatelets sind für ihre starke Anisotropie und das Auftreten eines Übergangs hin zu großer Oszillatorstärke selbst ohne die Gegenwart einer Kavität bekannt. Mikroskopisch ist die Ursache dieses Übergangs jedoch noch nicht verstanden. Auch hier erscheinen kollektive Effekte als wahrscheinliche Erklärung. Genaue Untersuchungen des zeitaufgelösten Verlaufs der Kohärenz sollten klarstellen können, ob es sich um stimulierte Emission, Superradianz oder andere Effekte handelt. Als weitere experimentelle Technik soll die quantenoptische Anregungsspektroskopie realisiert werden. Die Kernidee dieser Technik liegt darin, dass die Antwort jedes nichtlinearen Systems auf eine optische Anregung nicht nur von der mittleren Intensität dieser Anregung abhängt, sondern auch von deren quantenoptischen Eigenschaften, also Fluktuationen um den Mittelwert. Durch systematisches Erhöhen der Intensitätsfluktuationen der optischen Anregung werden wir diese Technik realisieren und vorhergesagte Effekte überprüfen. Zum Beispiel sollte ein nichtlineares System eine deutliche Überhöhung der Fluktuationen in der Antwortfunktion zeigen, wenn es mit einem stark fluktuierenden Lichtfeld angeregt wird. Diese Überhöhung sollte deutlich unterhalb der Schwelle zur Nichtlinearität auftreten und somit eine attraktive Methode darstellen, um die Nichtlinearität zu charakterisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Manfred Bayer