Emulation der Graphenstruktur mittels Photonik

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Szameit, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270107438

In diesem Vorhaben werden wir die Physik des Graphens mittels optischer Wellenleiter emulieren, die in einer Bienenwabenstruktur angeordnet sind.Da die paraxiale Wellengleichung (welche die Lichtpropagation entlang der Wellenleiter beschreibt) mathematisch äquivalent zur Schrödingergleichung (welche die zeitliche Evolution der Elektronen im Graphen beschreibt) ist, wird die Dynamik propagierenden Lichts innerhalb eines Materials mit periodisch moduliertem Brechungsindex (einem Wellenleiterarray) gleich der Evolution einer elektronischen Wellenfunktion im kristallinen Potential eines Festkörpers sein. Daher ist es möglich, in einem System aus Wellenleitern, die in Bienenwabenstruktur angeordnet sind, mit Hilfe klassischen Lichts direkt die Wellendynamik in der Graphengeometrie zu beobachten. Durch die Nutzung dieses photonischen Graphens ergibt sich eine Reihe an Vorteilen. Insbesondere sind dies (1) dass die Ränder des elektronischen Graphens weitgehend irregulär und mit Adsorbaten kontaminiert sind, während optische Strukturen hochgradig regelmäßig ohne Verunreinigungen realisiert werden können; (2) dass selbst stärkste homogene und inhomogene Deformationen in photonischem Graphen direkt während des Herstellungsprozesses realisiert werden können , ohne die Bindungen der einzelnen Gitterelemente zu zerstören; (3) die Möglichkeit der Analyse der unkorrelierten Verbundunordnung (durch Fehlstellen im Gitter) und der Strukturunordnung (durch zufällige laterale Versetzungen der Gitterelemente) unabhängig voneinander. Die Analogie der Evolution von Elektronen im Graphen und der Propagation von Licht in einem Bienenwaben-Wellenleiterarray ausnutzend werden wir eine Reihe an optischen Elementen mit neuartigen Eigenschaften realisieren, die theoretischen Grundlagen für deren Beschreibung legen als auch diese Resultate auf konventionelles Graphen übertragen. Durch den Vorteil der simplen Herstellungsprozedur des optischen Graphens werden wir nicht nur auf perfekte Bienenwabengitter beschränkt sein, sondern werden unsere experimentellen Techniken nutzen, um Deformationen, Kompression und Unordnung auf kontrollierte Weise erzeugen, was zu neuen Funktionalisierten Elementen führt. Wir werden den Einfluss von Deformationen und Unordnung analysieren, wir werden neuartige Zustände untersuchen, welche in herkömmlichen Graphen nicht zugänglich sind, und wir werden die Existenzbedingungen dieser Zustände in den realisierten Strukturen sondieren. Auf den Gebieten der Festkörperphysik und der Materialwissenschaften werden wir eine Reihe an Phänomenen erforschen, welche in unserem optischen System wesentlich einfacher zugänglich sind als in Graphen selbst. Das volle Verständnis der Implikationen der einzigartigen Bienenwabenstruktur des Graphens wird sowohl zur Entwicklung einer Reihe an neuen Ideen und Konzepten in verschiedenen Forschungsgebieten führen, als auch zur Verbesserung bereits existierender Elemente, die auf Graphen basieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen