Einzel-Quantenpunkt Laser und Gekoppelte Kavitätsarrays

• Antragsteller: Professor Dr. Christopher Gies; Professor Dr. Martin Kamp; Professor Dr. Stephan Reitzenstein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269240809

Ziel des Projektes ist die Realisierung und Studie von Einzelemitter-Lasern und gekoppelten Laserarrays auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten in Mikrosäulenresonatoren. Das zugrunde liegende Einzelemitter-Lasingregime unterscheidet sich maßgeblich von dem gewöhnlicher Laser und ist gekennzeichnet durch viele neue und spannende physikalische Fragestellungen. So wird es durch Quanten- und Korrelationseffekte dominiert, die bislang bestenfalls ansatzweise verstanden sind. Neben Herausforderungen in der theoretischen Beschreibung und dem konzeptionellen Verständnis dieser ultimativen Laser ist ihre technologische Umsetzung und spektroskopische Charakterisierung höchst anspruchsvoll, was in Summe den besonderen Reiz dieses Themas begründet. Im Rahmen der geplanten Arbeiten soll in Verbindung von mikroskopischer Modellierung, quantenoptischer Spektroskopie und nanotechnologischer Probenherstellung ein umfassendes Verständnis von Einzelemitter-Lasern erzielt werden. Unter anderem soll in Halbleiterresonatoren höchster Güte und geringer Quantenpunktdichte der Verstärkungsbeitrag einzelner Emitter über resonante sowie Zwei-Farben-Anregungsschemata verstanden und kontrolliert werden. Die Fragestellungen umfassen neben optisch gepumpten Strukturen erstmals auch elektrisch betriebene Einzelemitter-Laser, die von zentralem Interesse hinsichtlich effizienter und stromsparender optoelektronischer Bauelemente sind. Diese Zielstellung baut direkt auf der Expertise und den Ergebnissen unter optischer Anregung auf und wird bei Erfolg einen zentralen Meilenstein in der Entwicklung neuartiger Photonenquellen darstellen, bei denen die statistischen Eigenschaften der Emission kontrolliert werden können. Im Fokus eines weiteren innovativen Teilprojekts steht die Kopplung mehrerer solcher Einzel-Quantenpunkt-Laser zu einem Kavitätsfeld, an denen ausgedehnte, kollektive Effekte im und außerhalb des Lasing-Regimes studieren werden sollen. Alle Arbeitspunkte profitieren von einer intensiven und engen Zusammenarbeit zwischen Theorie, Technologie und Experiment. Insbesondere werden Probenherstellung und Spektroskopie im Rahmen der interdisziplinären Kooperation durch mikroskopische Modelle komplementiert. Dies fördert eine umfassende Beschreibung der zu Grunde liegenden physikalischen Prozesse und wird ein fundamentales Verständnis und quantitative Vorhersagen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen