Raumtemperatur Quantenlichtquellen basierend auf zweidimensionalem hexagonalem Bornitrid für Quantenkommunikation bei Tageslicht (DAYLIGHT QUANTA)

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Vogl
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445275953

Effiziente, elektrisch-angeregte Quantenlichtquellen, welche bei Raumtemperatur betrieben und für Quantenkommunikation bei Tageslicht genutzt werden können, sind Gegenstand aktueller und intensiver Forschung. Farbzentren in 2D hexagonalem Bornitrid (hBN) sind ein vielversprechender Kandidat um die gängigen technischen Probleme solcher Festkörper-Lichtquellen zu lösen. In eigenen Vorarbeiten haben wir Quantenemitter in hBN an einen dielektrischen Resonator gekoppelt und berechnet, dass die Quantenlichtquelle höhere Schlüsselraten als modernste, sogenannte "decoy"-Protokolle erlaubt. Weiterhin haben wir Fabrikationsprozesse entwickelt um Emitter von hoher Qualität zuverlässig herzustellen.Da die optischen Übergangslinien der Farbzentren in hBN innerhalb des Lichtspektrums vom UV bis in das NIR variieren, können wir einen Emitter mit Übergangsenergie wählen, die übereinstimmt mit einer der Fraunhoferlinien des Sonnenspektrums. Das Filtern um diese Linie herum erlaubt das Betreiben eines Quantenkommunikations-Protokolls bei Tageslicht, was die Daten-Kommunikationsrate deutlich erhöht. Das elektrische Anregen der Quantenemitter war bisher nicht möglich, da hBN elektrisch isolierend ist. Wir verfolgen einen neuartigen Ansatz, bei dem hBN mit einem Einzelphotonenemitter auf einem zugespitzten Wellenleiter eines plasmonischen Tunnelkontakts platziert wird. Tunnelelektronen erzeugen Oberflächenplasmonen, welche durch den Wellenleiter zum Emitter wandern und diesen anregen können. Dieses Konzept ist kompatibel mit der Erzeugung von Einzelphotonen auf Abruf, da hierfür nur der Tunnelstrom gepulst werden muss. Wir müssen außerdem noch ein Verfahren entwickeln, bei dem Emitter an wählbaren Positionen erzeugt werden können, z.B. an der Spitze des plasmonischen Wellenleiters. Hierfür können wir lokal Strahlungsschäden induzieren oder durch lokale Spannung im Kristallgitter die Emitter erzeugen, was wir für den nicht-lokalen Fall bereits gezeigt haben. Das elektro-plasmonische Anregen kann auf andere Emittersysteme übertragen werden und auch allgemein angewandt werden für Photonik mit 2D Materialien. Die Quantenlichtquelle kann in vielseitigen Szenarien zum Einsatz kommen, z.B. auf einem CubeSat für einem globalen Quanteninternet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Singapur
• Mitverantwortliche: Dr. Falk Eilenberger; Professor Dr. Thomas Pertsch
• Kooperationspartner: Dr. Mete Atatüre; Professor Dr. Christian Nijhuis