Quanten-Ladungstransport trifft Quantenoptik: Josephson-Photonik mit starker Ladungs-Licht Kopplung

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Ankerhold
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316835022

Photonik und Quantenelektronik gehören zu den Bereichen der Physik, die momentan die rasantesten Fortschritte verzeichnen können. Grund ist ihre außerordentliche Relevanz für zukünftige Technologieanwendungen in Bereichen wie Informationsverarbeitung, Kommunikations- und Sensortechnik. Die zwei Felder befassen sich mit zwei der fundamentalen Quanten, nämlich Photonen und Ladungsträgern, deren Wechselwirkung durch die Theorie der Quantenelektrodynamik beschrieben wird. Noch ganz am Anfang seiner Entwicklung ist dagegen ein neuer interdisziplinärer Ansatz, der sich mit der Quantenoptik von Quantenleitern befasst. Dies öffnet die Perspektive, mit Hilfe von Quantenelektronik Mikrowellenstrahlung mit ausgeprägtem Quantencharakter zu erzeugen. Besonders leistungsfähige Anordnungen kombinieren dabei bekannte Schlüsselkomponenten supraleitender Quantenelektroschaltkreise, nämlich DC-vorgespannte Josephson-Tunnelkontakte und Mikrowellenresonatoren. So kann ein Bereich starker Wechselwirkung zwischen Ladungs- und Lichtquanten erreicht werden, in dem elektrische Energie praktisch verlustfrei in photonische Energie umgesetzt wird. Ziel dieses Projektes ist es, das volle Potential dieser neuartigen Technologie voranzutreiben: es werden neue Lichtquellen für Quantenmikrowellen entwickelt und der Übergang von schwacher zu starker Kopplung zwischen Ladungen und Photonen untersucht.Methodisch bewegen wir uns dabei in einem Bereich, der konzeptionell eng mit der sogenannten "circuit Quantum Electrodynamic" (cQED) verwandt ist; jenem Festkörper-basiertem Analogon der Kavitäts-QED, für die Haroche and Wineland mit dem Physik-Nobelpreis 2012 gewürdigt wurden. Die neuartige Josephson-Photonik, führt jedoch insoweit in Neuland, als die Kopplung von Ladungen und Photonen nun in einer starken Nichtgleichgewichtssituation stattfindet und direkt an den Transfer von Cooper-Paaren angegriffen wird. Im Einzelnen werden wir in diesem Projekt zeigen, dass der Fluss von Cooper-Paaren durch einen DC-vorgespannten Josephson-Kontakt genutzt werden kann, um anwendungsorientierte Bauteile zu realisieren, zum einem Quellen nichtklassischer Strahlung mit hoher Intensität, zum anderen Verstärker, deren Rauschtemperatur bis in den Bereich der durch die Quantenmechanik vorgeschriebenen Grenzen abgesenkt werden kann. Nach Demonstration im Mikrowellenbereich werden einige dieser Anordnungen für den THz-Bereich erweitert. Ergänzend wird der Übergang von klassischen zu quantenmechanischen Josephson-Kontakten untersucht, in dem die Phase eine immer schärfer definierte Variable wird, wohingegen Quantenfluktuationen der übertragenen Ladung zunehmen. Dabei werden wir die Fähigkeit dieser Bauelemente nutzen, sowohl die Eigenschaften nichtklassischer Photonenzustände als auch die des Ladungsstroms und seine Rauscheigenschaften zu beobachten. Dieses Projekt bringt die umfassende Fachkompetenz zweier experimenteller und einer theoretischen Arbeitsgruppe zusammen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Daniel Esteve; Dr. Max Hofheinz