Dreidimensionale quantenphotonische Bauelemente auf der Basis von einzelnen Emittern und lasergeschrieben Mikrostrukturen für die effiziente Erzeugung von nicht-klassischem Licht und ultra-sensitiver optischer Nanomagnetometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Benson; Professor Dr. Martin Wegener
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247057675

Das Ziel des Projektes ist es, zwei wesentliche Funktionen neuartiger dreidimensionaler nanophotonischer Strukturen zu demonstrieren, nämlich die effiziente Erzeugung von nicht-klassischem Licht und die ultra-sensitive Nanomagnetometrie. Der vielseitige Ansatz nutzt Farbzentren in Nanodiamanten als einzelne stabile Quantensysteme in Kombination mit dielektrischen und metallischen Nanostrukturen, die mittels gezieltem direktem Laserschreiben hergestellt werden. Das Stickstoff-Fehlstellen-Farbzentrum dient einerseits als eine Quelle für einzelne Photonen. Auf der anderen Seite kann der Zustand seines Elektronenspins optisch ausgelesen werden, um lokale Magnetfeldmessungen mit hoher Sensitivität und einer Ortsauflösung im Nanometerbereich durchzuführen. Das Projekt führt erstmals eine verlässliche und kostengünstige Fabrikationsmethode für nahezu beliebige quantenphotonische Strukturen ein. Die Methode lässt sich leicht umsetzten und erfordert keine aufwändigen Reinraumbedingungen. Gegenüber bisherigen etablierten Ansätzen, die von Membranen oder Schichten ausgehen und die auf zwei Dimensionen beschränkt sind, können echte dreidimensionale Strukturen, die auf der fundamentalen Basis einzelner Photonen und einzelner Spins arbeiten, realisiert werden. Darüber hinaus sollen erstmals verschiedene Funktionen in einer gemeinsamen Plattform integriert werden. Beispiele sind die plasmonisch verstärkte Lichtsammlung zur verbesserten optischen Spinmessung oder die Integration von einem Einzelspinmagnetometer in einer Flüssigkeitszelle.Im Projekt werden zwei Gruppen mit komplementärer Expertise zusammen arbeiten. Die Gruppe der Humboldt-Universität zu Berlin bringt langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Quantenoptik integrierter Nanosysteme und der Physik von Einzelphotonen ein, während die Gruppe des Karlsruhe Instituts für Technologie zu den Pionieren der Nanophotonik und des direkten Laserschreibens zählt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen