Fortgeschrittene Galliumnitrid basierte Quantenbauelemente

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan Reitzenstein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259236611

Im Rahmen dieses Projektes werden wir fortgeschrittene Quantenbauelemente auf Basis von GaN-Halbleitersystemen entwickeln und untersuchen. Wir werden neue Konzepte realisieren, um den Emissionsprozess von GaN-Quantenpunkten zu manipulieren und um einzelne Photonen über nicht-lineare Emissionsprozesse zu erzeugen. Dies umfasst die Emission einzelner Photonen mit extern kontrollierbarer Emissionsenergie und die Erzeugung verschränkter Photonenpaare. Hierfür werden wir Nanoresonatoren im GaN-Materialsystem entwickeln, die es uns erlauben, den spontanen Emissionsprozess von einzelnen Quantenpunkten über Effekte der Resonator-Quantenelektrodynamik zu kontrollieren und zu beschleunigen. Ein zentraler Aspekt des Projektes zielt dabei darauf ab, den Purcell-Effekt in Nanoresonatoren auf Basis von photonischen Kristallen zu nutzen, um die Übergangswahrscheinlichkeit von Zweiphotonen-Prozessen erheblich zu erhöhen. Resonator-verstärkte Zweiphotonenprozesse werden auch für die Up- und Down-Konversion im Limit einzelner Photonen genutzt. Weiterhin werden wir erstmals Quantenpunkte in Piezo-kontrollierte GaN-Nanoresonatoren einbetten, um die Energie ihrer elektronischen Zustände und Übergänge über externe Verspannungsfelder zu manipulieren. Unser Ansatz wird es uns erlauben, kompakte Quantenbauelemente für die getriggerte Emission einzelner Photonen und von verschränkten Photonenpaaren mit variabler Emissionsenergie über Zwei-Photonenprozesse zu realisieren. In diesem Zusammenhang ist das GaN-Materialsystem besonders interessant, da es große exzitonische Bindungsenergien und große Banddiskontinuitäten aufweist, was den Betrieb bis hin zu Raumtemperatur ermöglichen kann. Von zentraler Bedeutung für unseren Ansatz ist weiterhin die Tatsache, dass GaN-Quantenpunkte intrinsisch Paritäts-Brechung aufweisen, wodurch die Übergangswahrscheinlichkeit von Zweiphotonenprozesse erheblich erhöht wird. Die Ergebnisse unseres Projektes werden wichtigen Einfluss im Bereich der Quanteninformationstechnologie und der Quantenkommunikation haben, welche entscheidend von der Verfügbarkeit fortschrittlicher Quantenlichtquellen profitieren werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Nicolas Grandjean; Professor Dr. Axel Hoffmann; Dr. Andrei Schliwa