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Dielektrische Nanoresonatoren und Metaoberflächen für die Erzeugung von Photonenpaaren

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
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel von NanoPair war die Untersuchung von nichtlinearen photonischen Nanostrukturen als Quelle von Zwei-Photonen Quantenzuständen, sog. Photonenpaaren. Die Bedeutung von Photonen-Paaren für neue Quantentechnologien wie ultra-sichere Quantenkommunikation, optische Quanten-Computer oder Quanten-Bildgebung und -Sensorik nimmt immer weiter zu. Als photonische Nanostruktur werden Elemente bezeichnet, die in einer oder mehreren Dimensionen kleiner als die Lichtwellenlänge sind. Werden solche Nanostrukturen aus Materialen mit einer Nichtlinearität zweiter Ordnung hergestellt, d.h. aus einem Material in dem drei Photonen miteinander interagieren, können Photonenpaare durch spontane Abwärtskonversion hergestellt werden (engl. Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC). Bei SPDC wird ein Anregungsphoton mit hoher Energie in zwei potenziell quantenverschränkte Photonen mit niedrigerer Energie aufgespalten. Die Ausgangshypothese von NanoPair war, dass nichtlineare Nanostrukturen genutzt werden können, um während der Herstellung von Photonenpaaren gezielt deren Eigenschaften zu beeinflussen. NanoPair war eines der ersten Projekte, dass Photonenpaar-Erzeugung in solchen nanoskaligen Quellen untersucht hat. Daher mussten wir sowohl ein neues Modell für die Theorie von Paar-Erzeugung in Nanostrukturen entwickeln, als auch erste experimentelle Machbarkeitsstudien durchführen. Auf Basis unseres neu entwickelten Modelles konnten wir zeigen, dass Nanoresonatoren als sehr flexible Quantenzustandsquellen fungieren können, bei denen sowohl der Grad der Verschränkung, das Spektrum als auch die Emissions-Richtung durchgestimmt werden können. Bemerkenswerter Weise konnten wir auch ein zweites Regime beschreiben, in dem die Erzeugung von maximal quantenverschränkten Photonen geschützt ist. Dies führt zu einer sehr robusten Quelle von verschränkten Quantenzuständen über eine große Bandbreite von Anregungs- und Photonenpaar Frequenzen. Auf der experimentellen Seite konnten wir mittels Summen-Frequenz Generation (SFG) in einem einzelnen Gallium Arsenid Nanoresonator die Kontrolle des erzeugten Polarisations-Zustandes zeigen. Da SFG der klassische Umkehrprozess von SPDC ist, kann dies als ein erster Indikator für die Erzeugung verschränkter Zustände genutzt werden. Danach haben wir die Erzeugung maximal polarisations-verschränkter Quantenzustände in einem ultra-dünnen Molybdändisulfid-Kristall in 3R-Phase (3R-MoS2) direkt nachgewiesen. Besonders interessant ist, dass aufgrund der Dicke von weniger als einer Wellenlänge und der speziellen Symmetrie von 3R-MoS2 viele verschiedene verschränkte Zustände mit der gleichen Effizienz erzeugt werden können. Im letzten Schritt haben wir nichtlineare Metaoberflächen, Arrays von Nanoresonatoren, für SPDC ausgelegt, hergestellt und charakterisiert. Hier konnten wir experimentell zeigen, dass die durch Nanostrukturierung erzeugten Resonanzen sowohl das SPDC Spektrum kontrollieren als auch die Emissionsrate verstärken können. In Summe demonstrieren die im Laufe von NanoPair gewonnenen Erkenntnisse, dass dünne und/oder nanostrukturierte Elemente eine sehr vielversprechende und vielseitige neue Klasse von Quantenzustands-Quellen sind. Nach weiteren Optimierungen basierend auf diesen ersten Ergebnissen haben sie das Potential, als vielseitig anpassbare und sehr kompakte Photonenpaar-Quelle in vielen Applikationen zum Einsatz zu kommen.

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