Dielektrische Nanoresonatoren und Metaoberflächen für die Erzeugung von Photonenpaaren

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Pertsch
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407070005

Für dielektrische optische Nanoresonatoren und daraus konstruierte Metaoberflächen wurde gezeigt, dass sie die Kontrolle von Lichtstreuung, -reflektion und -transmission ermöglichen. In nichtlinearen Resonatoren, kann effiziente Zweite-Harmonische-Erzeugung genutzt werden, um klassisches Licht zu generieren, dessen Eigenschaften von der Nanoresonatorgeometrie abhängen. Das Projekt nanoPAIR untersucht ob eine solche Kontrolle ebenfalls für die Quanteneigenschaften von nicht-klassischem Licht möglich ist, welches in dielektrischen Nanoresonatoren und Metaoberflächen generiert wird. Das Projekt wird gezielt untersuchen, wie Spektrum, räumliche Streuung, Polarisation und Verschränkung von Photonenpaaren, welche durch spontane parametrische Runterkonversion (SPDC) erzeugt werden, vom Resonatormaterial sowie der Geometrie der Nanoresonatoren und ihrer Anordnung in der Metaoberfläche abhängen. Die optischen Eigenschaften von dielektrischen Nanoresonatoren werden durch lokalisierte Resonanzen bestimmt, die als Überlagerung von Multipolen beschrieben werden können und die die lokalen Feldprofile und Emissionsrichtungen von Photonen definieren, die im SPDC-Prozess entstehen. Mittels Multipolbeschreibung, wird basierend auf den geometrischen Dimensionen, Asymmetrien und nichtlinearen Eigenschaften von einzelnen Nanoresonatoren, ein systematisches Verständnis über mögliche klassische Eigenschaften der generierten Photonenpaare, z. B. Polarisation, Spektrum und Emissionsrichtung aufgebaut. Weiterhin ist es unser Ziel, die Effizienz von SPDC durch Kopplung von unterschiedlichen Nanoresonatoren zu steigern und Abstimmparameter zu identifizieren.Die Erkenntnis über die SPDC Kontrollparameter, wird das volle Potenzial von nichtlinearen Metaoberflächen für die Quantenzustandserzeugung ausschöpfen. Ziel ist eine effektive Orthogonalität der Kontrollparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Eigenschaften der Photonenpaare die für spezielle Anwendungen benötigt werden.Unsere Untersuchungen werden analytische Berechnungen und präzise Simulationen von SPDC in Nanostrukturen, die technologische Realisierung von Nanoresonatoren und Metaoberflächen in AlGaAs und Lithiumniobat sowie den experimentellen Nachweis der entdeckten Effekte beinhalten. Wir werden mit unserer Forschung die Nutzung von Metaoberflächen als Quellen für Photonenpaare mit einer großen Anzahl von Modenstrukturen ermöglichen, in denen die Eigenschaften jeder Mode unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dieser Ansatz unterscheidet sich insbesondere von anderen räumlich multimodalen Quantenquellen für Photonenpaare, z. B. Volumenkristalle, in denen die festen Kristalleigenschaften die möglichen genutzten Moden bestimmen. Deshalb sind Metaoberflächen vielversprechende Kandidaten als Quellen für quantenoptische Anwendungen, die eine große Zahl räumlicher Moden benötigen, wie z. B. hochauflösende Quantenbildgebung oder Freiraum-Quantenkommunikation mit verschränkten Vortex-Strahlen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Giuseppe Leo