Kontrollierte Wechselwirkungen von Rydberg-Exzitonen in integrierten und hochskalierbaren Bauteilen

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Giessen
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316223591

Wir untersuchen Rydberg-Exzitonen im Halbleiter Cuprit (Cu2O), dieHauptquantenzahlen von bis zu n=25 zeigen, mit exzitonischen Bohr-Radien im Mikrometerbereich. Diese extrem großenEinzelquantenobjekte in Halbleitern wurden erst kürzlich entdeckt,und ihr Potential für Quantenbauteile muß erst noch ausgelotetwerden. Viele Eigenschaften dieses spannenden Systems sind nichtbekannt und müssen erst noch vermessen werden. Wir benutzenkünstliche wie auch natürlich gewachsene Cupritkristalle vonmehreren mm Größe und benutzen AM- und FMModulationsspektroskopiein der Umgebung der gelben p-, s- und d-Exzitonen bei T=1.5K mithilfe eines schmalbandigen Halbleiterlasersum 570 nm. Mikrolinsen, die mithilfe eines 3D Druckers auf dieHalbeiter aufgedruckt werden, fokussieren die optischenAbfragestrahlen in den Mikrometerbereich, so daß selbst im flüssigenHeliumkryostat von außen durch einfaches Verkippen des WinkelsAnrege-Abfrage-Experimente mit räumlicher Auflösung vonMikrometern durchgeführt werden können. Dies wird direkteMessungen der Coulomb-Wechselwirkung und Rydberg-Blockaderadien erlauben. Anschließend werden elektrische wie auchmagnetische Felder angelegt und verändern die Wellenfunktionsformund –symmetrie und dadurch die Wechselwirkung. Mit unseremortsaufgelösten Pump-Probe-Schema können wir den Einfluß von EITKopplungsschemata auf die Wechselwirkungen untersuchen. 3Dgedruckte Phasenplatten sowie durch Ionenstrahl-Lithographiehergestellte Fresnel-Linsen mit integrierten Phasenverläufen erlaubendie Generation von Licht mit orbital angular momentum direkt imCupritkristall unter beugungslimitierten Bedingungen. Da die Rydberg-Exzitonen selber mehrere 100 nm groß sind, ist der Überlappzwischen Wellenfunktion und OAM-Lichtmode ideal, um Verletzungen der dipolaren Auswahlregeln mithilfe von zusätzlichen Drehimpulsendes Lichts zu untersuchen. In Kombination mit Multikern-Fasern undMikrolinsen kann man eine ganze Matrix von Rydberg-Exzitonenadressieren. Diese Elemente sind zusätzlich mithilfe dermikrostrukturierten Elektroden schaltbar. Dies ebnet den Weg zueinem nur mm³ großen integrierten und hochskalierbaren Bauteil, dasauf einer optischen Faser in einem mK-Kryostaten integriert werdenkann und keine Phononen mehr stören. Im Rahmen des SPP1929werden wir sowohl mit den experimentellen Gruppen von ManfredBayer (Dortmund), Gerhard Birkl (Darmstadt), Tilman Pfau und RobertLöw (Stuttgart) sowie den Theoriegruppen von Stefan Scheel(Rostock) sowie Hanspeter Büchler und Jörg Main (Stuttgart)zusammenarbeiten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1929: Giant Interactions in Rydberg Systems (GiRyd)