Topologische Effekte in optisch-anisotropen Mikrokavitäten

• Antragsteller: Professor Dr. Ulf Peschel; Dr. Rüdiger Schmidt-Grund
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329504356

Ziel des Projektes ist, topologisch interessante Mikrokavitäten (MC) nach vergleichsweise einfachen Konzepten herzustellen, theoretisch zu verstehen und geschützte photonische Zustände sowie gerichteten Transport von Photonen und Exziton-Polaritonen nachzuweisen. Die theoretischen Untersuchungen an den hier beispielhaft vorgeschlagenen Systemen werden die Basis für ein generell neues Konzept zur allgemeinen Beschreibung optischer Moden und ihrer Polarisation in Systemen niedriger Symmetrie bilden. Des Weiteren sind photonische topologische Systeme höchst interessant für Grundlagenforschung, versprechen aber auch bzgl. Anwendung einen Meilenstein in der Realisierung von Bauelementen für die on-Chip optische Informationsübertragung und Datenverarbeitung zu bilden. Die Fähigkeit von Exziton-Polaritonen zur Bose-Einstein-Kondensation auch bei Raumtemperatur und höher weist weiterhin das Potential solcher topologischer Systeme für Anwendungen im Quanten-Computing aus.Es sollen als ein generell neuartiges Konzept spezielle Modeneigenschaften in optisch zweiachsigen Systemen genutzt werden, bei denen die Symmetriebrechung durch die Kombination von Resonator-Struktur und optischer Anisotropie der verwendeten Materialien zustande kommt. Topologisch nicht-triviale MC mit optisch anisotropen, ansonsten aber linear-optischen, reziproken und nicht-chiralen Kavitätsmaterialien sollen experimentell hergestellt, untersucht und theoretisch verstanden werden. Es sollen anhand der Eigenschaften (komplexe Modendispersion, Polarisation bzw. Pseudospin) von Kavitätsphotonen und Exziton-Polaritonen die Nicht-Trivialität nachgewiesen werden. Mittels lateraler Strukturierung sollen Entartungen von Dirac-artigen Punkten aufgehoben werden um topologisch geschützte Kantenmoden zu erzeugen und entsprechenden Transport von Photonen oder Exziton-Polaritonen zu ermöglichen. Hierbei sollte der Polarisationszustand bzw. Pseudospin topologisch geschützt sein, er eignet sich daher sehr gut zum experimentellen Nachweis. Dieses Konzept kommt ohne äußere Felder, komplizierte Metamaterialien und ohne per-se topologisch nicht-triviale elektronische Systeme aus und ist daher sehr vielversprechend für praktische Anwendungen. Wie unsere Voruntersuchungen zeigen, eignen sich hierfür als Kavitätsmaterialien die sehr gut untersuchten optisch-einachsigen Halbleiter ZnO und GaN, wobei die Orientierung der optischen Achse nicht parallel zur Konfinement-Richtung der MC liegen soll. Es sollen zunächst rein photonische MC hergestellt und untersucht werden, d.h. für den transparenten Spektralbereich dieser Materialien. Bei Erfolg sollen die Untersuchungen auf das Regime der starken Exziton-Photon-Kopplung ausgedehnt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen