Polaritondynamik, Polaritonlokalisierung und Exceptional Points in gekoppelten Terahertz-Metamaterialsystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442393838

Das Vorhaben ist die Fortsetzung eines DFG-Projektes zu Themen der starken und ultrastarken Licht-Materie-Kopplung mit Metamaterialien. Es hat fünf Unterthemen, bei denen es in zwei Fällen um die abschließende Bearbeitung früherer Projektgegenstände geht und in drei Fällen um neue wissenschaftliche Inhalte, für die die Ideen im Laufe der ersten Projektphase entstanden sind. Bis auf eines der Unterthemen, bei dem es um die Kopplung atomarer Übergänge an Metamaterialresonanzen geht, dienen Metamaterialien in vier der Teilprojekte als metallische Materie, die mit den elektromagnetischen Moden einer Bragg-Kavität wechselwirkt. Die Wechselwirkung ist zwar rein klassischer Natur, dennoch besteht eine weitreichende Analogie zwischen den gekoppelten elektromagnetischen Moden und bosonischen Plasmon-Photon-Polaritonen der Quantenelektrodynamik, wobei den Oszillatoren der Metamaterialien die Rolle plasmonischer Quasiteilchen zukommt. Wir werden mit den gekoppelten Systemen die folgenden vier Aspekte untersuchen: (1.) Die ultraschnelle Dynamik des Polaritonenzerfalls nach dem abrupten Abschalten der plasmonischen Metamaterialresonanz mit einem Femtosekundenlaserpuls. (2.) Die Rolle von Inhomogenitäten im Metamaterial, für die vorhergesagt wurde, dass sie kaum einen Einfluss auf die Modenaufspaltung (das Rabi-Splitting) haben sollten, wohl aber bei Erreichen eines Schwellwerts der Inhomogenität zu einer räumlichen Lokalisierung der Polaritonmoden führen könnten. (3.) Das Auftreten einer Singularität (eines „exceptional points“, EPs) bei einer bestimmten Kopplungsstärke, bei der die Polaritonen des Systems in eine Polaritonmode kollabieren. Wir schlagen ein Modellsystem für das EP-Studium vor und möchten an diesem das vor kurzem in die Literatur eingeführte Konzept der „synthetischen komplexwertigen Frequenz“ für die Herausarbeitung von Resonanzlinien durch Linienbreitenreduktion untersuchen. (4.) Bei Kopplung von mehr als zwei Resonanzen treten nicht nur einzelne EPs auf, sondern ausgedehnte EP-Regionen im Parameterraum. Zu deren Identifikation werden wir ein Modellsystem verwenden, im dem zwei Metamaterialien mit variabler Kopplungsstärke an die photonische Mode einer Bragg-Kavität koppeln. Beim fünften Unterthema spielt, wie oben angesprochen, eine Bragg-Kavität keine Rolle. Vielmehr wird ein Metamaterial verwendet, um mit dessen Resonatoren an die elektronischen Übergänge von Bor-Dotieratomen in Silizium zu koppeln. Dies wird bei tiefen Temperaturen geschehen, wo die Dotieratome nicht ionisiert sind. In der vorherigen Projektphase verwendeten wir Split-Ring-Resonatoren, erzielten aber keine starke Kopplung. Jetzt werden wir ein BIC-Metamaterial (BIC: Bound states in the continuum) verwenden, dessen Resonatoren eine viel höhere Güte aufweisen, um starke Kopplung nachzuweisen. Mit Siliziumproben verschiedener Dotiertiefe werden wir auch untersuchen, bis zu welcher Dicke der Dotierschicht die elektronischen Übergänge und die Oszillatormoden wechselwirken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Kooperationspartner: Professor Lei Cao