Blochoszillationen and Zenertunneln von Exziton-Polaritonen-Kondensaten in ein- und zwei-dimensionalen Gittern

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Klembt; Professor Dr. Ulf Peschel
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399153120

Die Übertragung grundlegender Konzepte der Quantenmechanik in die hochintegrierte Halbleiteroptik ist wichtig für ein tieferes Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung und für die Entwicklung neuer optischer Technologien. Unser interdisziplinäres Forschungsprojekt ist an der Grenze zwischen Festkörperphysik und Optik, sowie zwischen theoretischer und experimenteller Physik angesiedelt und fokussiert auf die Übertragung grundlegender Konzepte der Quantenmechanik auf das Exziton-Polariton-System. Exziton-Polaritonen (im Folgenden Polaritonen) sind Quasiteilchen, die aus der starken Kopplung zwischen elektromagnetischem Feld (Photon) und einer Materieanregung (Exzitonen) resultieren. Ziel des Projektes ist die Untersuchung fundamentaler Phänomene, die bei der Ausbreitung von Polaritonen in periodischen Strukturen auftreten, wie diskrete Beugung, Bloch-Oszillationen und Zener Tunneln. Wir streben die erstmalige Beobachtung zweidimensionaler Bloch-Oszillationen an und versprechen uns von einer eingehenden Studie der nichtlinearen Eigenschaften des Polaritonkondensats tiefere Einblicke in die faszinierende Physik der Superfluidität. Im Projekt werden zwei der führenden Gruppen im Bereich optischer Bloch-Oszillationen und Polariton Physik zusammenarbeiten, wobei sowohl theoretische (Jena) als auch experimentelle Untersuchungen (Würzburg) vorgesehen sind. Wir werden Quantenkohärenzphänomene basierend auf der Propagation von Polaritonen in resonant angeregten, nanostrukturierten Halbleiterkavitäten untersuchen, wobei Polaritonen in ein effektives Potential bestehend aus einer Reihe gekoppelter Wellenleiter durch einen schräg einfallenden Laserstrahl injiziert werden sollen. Dickenvariation in der Probe (und ein damit einhergehender Gradienten im Detuning) üben dabei eine effektive transversale Kraft auf die entlang der Wellenleiter propagierenden Felder aus. Bloch- Oszillationen und Zener Tunneln werden so räumlich dargestellt, wodurch auch sehr schnelle Dynamiken beobachtbar werden. Weiter werden wir uns dann der Untersuchung der Feldentwicklung in zweidimensionalen Gittern widmen, wobei resultierende Feldstrukturen mittels ultraschneller Spektroskopie detektiert werden sollen. Alle Untersuchungen werden unter Variation der Anregungsleistung durchgeführt, um einen Übergang von linearer zu nichtlinearer Dynamik und ein Einsetzten superfluiden Verhaltens feststellen zu können. Letztendliches Ziel unseres Projektes ist die volle Kontrolle der schnellen Dynamik von Polaritonkondensaten auf der Nanoebene mittels strukturierter Halbleiterkavitäten. Das hier skizzierte Forschungsvorhaben wird im gleichen Umfang zu den Bereichen der nichtlinearen Optik und der modernen Festkörperphysik beitragen. Die verwendete Technologieplattform wird im Rahmen dieses Projektes erweitert, was einen signifikanten Einfluss auf die Entwicklung neuer Laser- und Mikrokavitätsstrukturen und damit auf das breite Feld der integrierten Halbleiter Quantenphotonik haben wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Kooperationspartner: Dr. Iacopo Carusotto