Kollektiver Quantentransport und licht-assistierte Supraleitung

• Antragsteller: Professor Dr. Sven Höfling
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449424711

Die moderne Physik der kondensierten Materie ist eine wesentliche Grundlage heutiger Elektronik und Technologie. In Kombination mit optischen Effekten stellt sie eine leistungsstarke Plattform für sehr schnelle Bauelemente dar. Gleichzeitig sind eine Reihe von Phänomenen an der Grenze zwischen diesen beiden Bereichen, in denen Festkörpersysteme stark an Licht koppeln, noch unerforscht. Das Regime der starken Licht-Materie-Kopplung tritt in Materialien mit ausgeprägten exzitonischen Resonanzen auf. Wenn diese sich in optischen Resonatoren befinden, bilden sich neue hybride Quasiteilchen aus Licht und Materie aus, die Kavitätspolaritonen. Die Polaritonik ist ein sich schnell entwickelndes Forschungsgebiet und Mikrokavitäten im Bereich der starken Kopplung werden bereits in abstimmbaren Lasern und optischen Schaltungen verwendet. Der Aspekt der quantenstatistischen Eigenschaften von Quasiteilchen und die daraus resultierenden Quantenkorrelationen, wurden bisher jedoch wenig beachtet. Der Materieteil eines Polaritons ist das Exziton, das aus einem Elektron und einem Loch besteht, die jeweils der Fermi-Statistik folgen. Der Lichtteil wird durch ein Kavitätsphoton gebildet, das der Bose-Statistik folgt. Indem man einer Struktur weitere Elemente hinzufügt, kann man zudem rein fermionische Spezies - Elektronen - ins Spiel bringen. Im Kontext von Bose-Fermi-Gemischen kombinieren neuartige 2D-Materialien – mit den prominenten Übergangsmetalldichalkogeniden und Graphen - viele wichtige Eigenschaften wie exzellente optische Eigenschaften, gute technologische Kontrolle und geringe Kosten. Sie ermöglichen es, Strukturen herzustellen, die aus einer oder mehreren Monolagen bestehen, die Teilchen und Quasiteilchen mit unterschiedlichen Statistiken enthalten. Dieses Zusammenspiel bringt eine neue Wendung in den Bereich der Polaritonik und bietet die Möglichkeit, neuartige quantenkollektive Phasen zu beobachten. Wir werden untersuchen, wie große optische Nichtlinearitäten und starke Quantenkorrelationen, die sich aus den Auswirkungen der Hybrid-Quantenstatistik ergeben, im Regime der starken Kopplung auftreten. Unsere Schwerpunkte umfassen die Untersuchung von Superfluid-, Korrelations- und Widerstandseffekten von Mehrschichtsystemen in Mikrokavitäten, wobei spezifische Probendesigns entwickelt werden, die für die Beobachtung von starken optischen Nichtlinearitäten, kollektivem Quantentransport und lichtunterstützter Supraleitung optimiert sind. Um die ehrgeizigen Ziele dieses Projekts in Theorie und Experiment zu erreichen, bringen wir ein starkes deutsch-russisches Konsortium auf den Gebieten der Polaritonik und 2D-Materialien zusammen. Dieses Team bringt führende Theoretiker, die eine umfassende mikroskopische Theorie von Festkörper-Bose-Fermi-Gemischen entwickeln werden, mit unübertroffenen experimentellen Möglichkeiten auf der deutschen Seite zusammen, die zur Entwicklung neuartiger Strukturen und zur Beobachtung der beschriebenen Phänomene nötig sind.

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