Kondensate und Transistoren basierend auf halbleitenden organischen-inorganischen Hybridpolaritonen

• Antragsteller: Professor Dr. Sven Höfling
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429901270

Die Wechselwirkung von Licht und Materie ist von zentraler Bedeutung für unsere technologische Welt. Wenn ein Halbleiter Licht emittiert oder absorbiert, wird eine diskrete Energie von einem Photon auf ein Elektron übertragen. An Stelle solcher diskreten Energiesprünge ist es heute mittels Mikrokavitäten möglich, Zustände zu erzeugen, in denen Photonen und angeregte Elektronenzustände vermischt sind, und Energie kohärent zwischen ihnen ausgetauscht wird. Hierbei werden neue Quasiteilchen, die sog. Polaritonen gebildet. Wenn eine ausreichende Polaritondichte in einer Kavität generiert wird, können diese den kohärenten Zustand eines Polaritonkondensates annehmen. Solche Zustände werden auch als “flüssiges Licht” bezeichnet und weisen Quanteneigenschaften auf, obwohl sie Größen von einigen Zehn Mikrometern annehmen können. Über akademisches Interesse hinaus, können Polaritonen als Basis für eine neue Art von Elektronik dienen, die sog. ‚Polaritonik‘.Polaritonkondensate werden relative leicht durch optische Anregung erzeugt und unlängst konnten eine Reihe polaritonischer Bauteile, wie Laser geringer Schwelle, Interferometer und Transistoren realisiert werden. Diese basieren praktisch ausschließlich auf III-V Halbleitern, die von hervorragender Qualität sind, jedoch wegen der geringen Exzitonen-Bindungsenergie mehrheitlich auf Tieftemperatur beschränkt sind. Organische Mikrokavitäten verfügen über sehr robuste Exzitonen und erlauben Polariton-Kondensate bei Raumtemperatur. Effiziente elektrische Injektion konnte jedoch bisher nicht gezeigt werden. Der Stand der Forschung in den Feldern der organischen und anorganischen Polaritonik hat nun einen Entwicklungsstand erreicht, der eine Hybridisierung dieser zwei Halbleiterklassen zulässt. Dies verspricht eine Vielzahl neuer Physik und potenzieller Bauteile.In Pionierarbeiten von Agranovich et al. konnte gezeigt werden, dass in hybriden Organik/Anorganik-Strukturen die Eigenschaften zweier Exzitonarten (Frenkel- und Wannier-Mott-Exzitonen) wünschenswert vereint werden. Hierzu gehören ein großer Exziton-Bohrradius der Polariton-Polariton Wechselwirkung begünstigt, sowie eine große Oszillatorstärke, die Operation bei Raumtemperatur und enorme optische Nichtlinearitäten erlaubt. Dieses Projekt zielt auf die Untersuchung neuer, fundamentaler Physik in Hybridmikrokavitäten aus organischen und anorganischen Halbleitermaterialien ab. Wir streben die Entwicklung einer neuartigen Generation hybrid-polaritonischer Bauelemente an, welche die Vorzüge beider Welten optimal nutzen.Um den Herausforderungen dieses Projektes gerecht zu werden, schlagen wir eine außergewöhnlich starke Partnerschaft im Feld der Polaritonik zwischen Deutschland und Russland vor. Das Konsortium bringt die kritische Masse komplementärer Expertisen sowie herausragende experimentelle Möglichkeiten zusammen, um ein neues Feld der Hybrid-Polaritonik zu eröffnen und bahnbrechende Resultate im Bereich der Quantenoptik zu erzeugen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pavlos Lagoudakis