Maßgeschneiderte nicht-hermitesche Hamiltonoperatoren in nichtlinearen Exziton-Polariton-Systemen

• Antragsteller: Dr. Xuekai Ma
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467358803

Nicht-hermitesche Hamiltonoperatoren haben in der Vergangenheit großes Interesse geweckt und wurden in verschiedenen physikalischen Systemen intensiv untersucht. Es wurde über viele exotische Eigenschaften in der nicht-hermiteschen Optik in Mikrostrukturen berichtet, eine Art solcher Strukturen sind Mikrokavitäten-Polaritonen, hybride Quasiteilchen aus Licht und Materie, die aus Exzitonen und Photonen bestehen. Besonders interessant sind sie für potenzielle Anwendungen bei der Manipulation von Photonen und der individuellen Anpassung von Licht. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf die Maßschneiderung nicht-hermitischer Hamiltonoperatoren, welche nicht nur intrinsisch dissipativ, sondern auch reich an faszinierenden physikalischen Eigenschaften wie starker Nichtlinearität sind. Die Hauptziele des Projektes umfassen: (i) Untersuchung topologischer Eigenschaften, die aus optischen Spin-Bahn-Kopplungen (SOC) entstehen. Beispielsweise können SOC nicht-hermitesche Ausnahmeringe entstehen lassen, die durch andere physikalische Eigenschaften wie Nichtlinearität oder Inhomogenität aufgebrochen werden können, was zu nichttrivialer Topologie und komplexen Riemann-Flächen führt und folglich die Manipulation spezifischer Moden begünstigt; (ii) Erforschung neuartiger nichtlinearer Phänomene rund um gebundene Zustände im Kontinuum (BICs). Ein interessantes nichtlineares Phänomen ist die Wirbelbildung ohne Einfangpotentiale, die mit der intrinsischen Natur der Polarisationswirbel um die BICs und SOC zusammenhängt; (iii) Ausnutzung des nicht-hermiteschen Skin-Effekts in dafür entworfenen Gittern. Eine hierfür interessante Struktur sind die Doppelwellengitter, die wir in hermiteschen Systemen entwickelt haben und die topologischen Isolatorzustände zeigen. Das gleichzeitige Vorhandensein von Skin-Effekt und topologischen Isolatoren in derselben Struktur könnte neue physikalische Erkenntnisse hervorbringen. In diesem Projekt werden wir neue theoretische Konzepte für Polaritonensysteme und für nicht-hermitesche Physik entwickeln, und die erwarteten Ergebnisse werden weitreichende Auswirkungen auf das Studium der nichtlinearen Optik, der Vielteilchenphysik und der topologischen Photonik mit Nichtlinearität haben. Über die reine Grundlagenphysik hinaus werden die Ergebnisse für die Entwicklung funktioneller photoelektrischer und photonischer Anwendungen, sowie Sensoren, von Nutzen sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Stefan Schumacher
• Kooperationspartner: Professor Henry Fu