Studie der optischen und quantenoptischen Kohärenz resonator-verstärkter Nanolaser mit 2D-Materialen als Verstärkungsmedium

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Jahnke; Professor Dr. Stephan Reitzenstein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410408989

Die vorgeschlagenen Forschungsaktivitäten zielen das Verständnis einer Reihe grundlegender physikalischer Fragestellungen ab, die sich auf a) neuartige halbleitende Übergangsmetall-Dichalkogenide, b) quantenoptische Eigenschaften der Lichtemission von Nanoemittern und Nanolasern, sowie c) wichtige bauteilphysikalische Eigenschaften der Nanolaser auf Basis von monolagigen Halbleitern beziehen. Wir werden hierzu neue aktive Materialen und Material-Plattformen, den quanten-optischen Nachweis der Laseremission und Bauteilkonzepte für effiziente Ein- und Auskopplung von Licht erforschen. Integrierte Hableiter-Monolagen und Nanoresonatoren sind eine ideale und sehr zeitgemäße Grundlage für diese Arbeiten. Unser Konsortium setzt sich aus drei Gruppen zusammen, die auf komplementäre und weltweit ausgewiesene Expertise in der mikroskopischen Theorie von 2D-Halbleitern in Wechselwirkung mit quantisierten Lichtfeldern (AG Jahnke, Universität Bremen), der Herstellung und Charakterisierung von Nanolasern (AG Ning, Tsinghua University), und der quanten-optischen Spektroskopie an nanophotonischen Strukturen zurückgreifen können. Das ideal aufeinander abgestimmte chinesisch-deutsche Team ist somit auf einzigartige Weise geeignet, die oben erwähnten wichtigen Fragenstellungen umfassend zu adressieren. Dies soll über eine enge Kooperation zwischen Materialherstellung, Bauteilherstellung, experimenteller Charakterisierung und der theoretischen Beschreibung demonstriert werden. Aus der Sicht der Grundlagenforschung werden die erwarteten Ergebnisse unser Verständnis über die Lichtemission und die Verstärkungseigenschaften von Monolagen-Halbleitern, die Natur der Quantenkohärenz entsprechender Nanoemitter und das Schwellenverhalten und die Quantenkohärenz von Nanolasern entscheidend erweitern und stärken. In diesem Zusammenhang werden wir uns insbesondere mit der wichtigen Frage beschäftigen, wie Laseremission in Nanolasern mit hohen beta-Faktoren im Bereich des schwellenlosen Betriebes eindeutig nachgewiesen werden kann. Dieses grundlegende Regime erfährt aktuell weltweit höchstes Interesse und soll mittels quanten-optischer Studien zu Photononenstatistik auf umfassende Weise untersucht werden, wobei die Emissionsstatistik entscheidende und sehr verlässliche Informationen über das Einsetzen kohärenter Lichtemission liefert. Unsere gemeinsamen experimentellen und theoretischen Arbeiten werden wichtige neue Einblicke in die Emissionsprozesse von Nanolasern liefern, da wir zusätzlich zu gängigen Methoden weiterhin auch die volle Photonenverteilungsfunktion der Nanolaser betrachten werden. Dies erlaubt außerdem Zugriff auf Photonenkorrelationen höherer (>2) Ordnung und wird über spezielle photonenzahlauflösende Detektoren in der AG Reitzenstein gemessen. Aus technologischer Sicht erwarten wir, dass unsere Forschung zu neuartigen nanophotonischen Bauteilen führt, die zukünftig in der Informationstechnologie und in der photonischen Quantentechnologie Einsatz finden werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Cun-Zheng Ning