Polaritonenbasierte Einzelphotonenquellen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Schneider
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270542009

Einzelphotonenzustände zu erzeugen ist alles andere als eine triviale Aufgabe. Die bereits heute verfügbaren Methoden dieses Ziel zu erreichen sind alle entweder dadurch begrenzt, dass ein sehr komplexer experimenteller Aufbau vonnöten ist oder dass das benutzte System nicht skalierbar ist. Eine praktikable Lösung wurde bis heute noch nicht gefunden.In unserem Projekt möchten wir dieses Problem mit Hilfe von Exziton-Polaritonen in optischen Mikroresonatoren lösen. Diese Quasiteilchen sind kohärente Superpositionen von Photonen und Exzitonen bei deren Zerfall ein fliegendes Photon entsteht. Das große Potential von Polaritonen in quantenoptischen Anwendungen wurde bereits in vielen theoretischen Arbeiten diskutiert und einige Quanteneffekte, wie Kohärenz erster Ordnung und gequetschte Zustände sind bereits experimentell demonstriert worden. Die größten Vorteile des Polariton-Systems gegenüber Einzelphotonenquellen basierend auf individuellen Quantenemittern sind die inhärente Skalierbarkeit, Robustheit und die Möglichkeit einige Eigenschaften, wie die Wellenlänge, Polarisation oder die zeitliche Pulsform des erzeugten Lichts auf die jeweilige Anwendung maßzuschneidern.Um die Ziele unseres Projekts zu erreichen, beabsichtigen wir die neuesten Entwicklungen in optischem Design, Fabrikation, und theoretischer Quantenoptik anzuwenden. Wir werden Einzelphotonenerzeugung in drei verschiedenen Designs zu untersuchen, alle basierend auf III-V Halbleitersystemen. Zuerst werden wir Mikrotürmchen-Resonatoren von hoher optischer Güte mit integrierten Quantenfilmen und Abmessungen im sub-mikrometer Bereich fertigen, um die für Quantenkorrelationen nötige starke photonische Nichtlinearität zu erzeugen. Des weiteren werden wir uns die Quanteninterferenz zwischen einem Paar von schwach gekoppelten Mikrosäulen zu Nutze machen um Einzelphotonen zu erzeugen. Drittens, werden wir ein flexibles Hybridschema anwenden, bei dem der Resonator auch noch nach dem Fabrikationsprozess verstimmbar bleibt. Mithilfe dieses Schemas können wir zeit- und kosteneffizient einen großen Teil des Parameterraums untersuchen. Eine erfolgreiche Demonstration der Polariton-Blockade und Einzelphotonenemission in den vorgeschlagenen Mikroresonator-Systemen würde einen großen Durchbruch bedeuten, mit Auswirkungen weit über die Polaritonen-Forschungsgemeinde hinaus. Ein Einzelphotonenschema basierend Interferenz in gekoppelten Resonatoren ist besonders interessant, weil es bisher noch in keinem System experimentell realisiert worden ist. Die Möglichkeit Einzelphotonen über ein Quasiteilchen-Ensemble ohne individuelle Quantenemitter zu erzeugen könnte zu völlig neuen Designs von hoch-integrierten Quantenoptik-Chips führen. Zudem könnte die Fähigkeit beliebige Photonenzahlzustände zu erzeugen den Weg zur Realisierung von Quantensimulationsschemata basierend auf bosonischen Quantenfluiden in Halbleitern ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Martin Kamp; Dr. Francesco Manni; Dr. Zoltan Vörös
• Kooperationspartner: Professor Dr. Atac Imamoglu; Professor Dr. Gregor Weihs