Elektrisch betriebene, topologische Exziton-Polariton-Laser

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Klembt; Professor Dr. Christian Schneider
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441074308

Die Übertragung fundamentaler Konzepte der Quantenmechanik und der Topologie indie hochintegrierte Halbleiteroptik ist wichtig für ein tieferes Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung und für die Entwicklung neuer optischer Technologien. Unser fachübergreifendes Forschungsprojekt ist an der Grenze zwischen Festkörperphysik, Optik und topologischer Physik angesiedelt. Es setzt einen zentralen Fokus auf die Übertragung grundlegender Konzepte der Quantenmechanik und Topologie auf das Exziton-Polariton-System und spezifischer auf polaritonische Gitter- und Lasersysteme. Exziton-Polaritonen (i.F. Polaritonen) sind Quasiteilchen, die aus der starken Kopplung zwischen elektromagnetischem Feld (Kavitätsphotonen) und einer Materieanregung im Halbleiter (Exzitonen) resultieren. Sie zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass ihre bosonische Natur den Phasenübergang in Bose-Einstein-artige Kondensate erlaubt. Durch das dissipative Element dieser Licht-Materie Kondensate kommt es hier zu einer Abstrahlung von monomodigem, kohärentem Laserlicht (was eine neue Klasse von Halbleiterbauelementen ermöglicht). Ziel des Projektes ist die Untersuchung von kohärenter Laseremission aus komplexen Gittersystemen aus gekoppelten Mikroresonatoren. Diese Gitter bzw. Ketten sind so entworfen, dass die resultierenden optischen Moden und ihre Eigenschaften durch Konzepte aus der Topologie beschrieben werden können.Topologischen Isolatoren sind eine faszinierende neue Materialklasse in der topologische Invarianten sich durch eine Robustheit gegen Störungen manifestieren. Nach ersten Beobachtungen solcher Effekte im Quanten-Hall-Effekt hat das Konzept eine breite Reihe von wissenschaftlichen Feldern inspiriert und bereichert. Dazu gehören kalte Atome, elektrische Schaltkreise, und natürlich die Photonik und Halbleiteroptik.In diesem Projekt werden zwei der führenden Nachwuchsgruppen im Bereich der Polaritonik und topologischen Photonik das gemeinsame Ziel verfolgen, topologische Effekte auf integrierte Polariton- und Halbleiterlasern zu übertragen. Zunächst werden wir polaritonische Gitterstrukturen und topologische Polaritonlaser herstellen, wobei wir einen Schwerpunkt auf die besondere Expertise im Bereich des elektrischen Betriebs legen. Weiter werden wir dann die Laseremission solcher Gitterstrukturen und topologischer Defektmoden mittels orts- und zeitaufgelöster Spektroskopiemethoden untersuchen.Unser Ziel ist es, die Technologieplattform im Rahmen dieses Projektes deutlich zu erweitern, was einen signifikanten Einfluss auf die Entwicklung neuer Laser- und Mikrokavitätsstrukturenund damit auf das breite Feld der integrierten Halbleiteroptik haben wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen