Dicke-verstärkte starke Kopplung einzelner Emitter bei Umgebungsbedingungen als Quantenressource

• Antragsteller: Professor Dr. Bert Hecht
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Hardwaresysteme und -architekturen für die Informationstechnik und die Künstliche Intelligenz, Quantentechnische Systeme ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499351108

Starke Kopplung von Licht und Materie ist eine grundlegende Quantenressource weil so (i) deterministischer Energieaustausch zwischen einzelnen Photonen und einen Zwei-Niveau System ermöglicht wird und (ii) Einzelphotonennichtlinearitäten aufgrund der Anharmonizität der Jaynes-Cumming-Leiter erreicht werden können. Erst kürzlich konnten wir starke Kopplung zwischen einen Quantenpunkt und einem breitbandigen plasmonischen Nanoresonator bei Umgebungsbedingungen zeigen. Zur Erklärung dieser Beobachtung haben wir sowohl eine breitbandige, multi-Niveau Kopplung, die zu einer Dicke-ähnlichen Verstärkung der Einzelemitter-Kopplungstärke führte, als auch eine verstärkte Kopplung des Quantenemitters an den plasmonischen Nanoresonator postuliert. In diesem Projekt, sollen beide Annahmen einer tiefergehenden Untersuchung unterzogen und zu einer Quantenressource weiterentwickelt werden. Wir werden dazu eine Platform zur Integration stark gekoppelter Quantenemitter und Nanoresonatorsysteme auf einer Oberfläche entwickeln. Um Quantenpunkte an ausgewählten Positionen, sogenannten plasmonischen Hotspots, abzulegen, werden wir unsere elektrisch kontaktierten plasmonischen Nanostrukturen verwenden. Ein zusätzlicher Vorteil solcher Nanostrukturen besteht in der Möglichkeit sehr große elektrische Felder anzulegen. Wir werden damit eine Abstimmbarkeit der Quantenpunktresonanz über den quantenlokalisierten Stark-Effekt erreichen. Um experimentell eine Erhöhung der Kopplungsstärke aufgrund einer Dicke-ähnlichen Verstärkung zu erhalten, werden wir PbS bzw. PbSe Quantenpunkte verwenden, die bis zu 64 beinahe degenerierte Energieniveaus nahe der Leitungsbandunterkante besitzen. Das sollte die Kopplungsstärke um etwa eine Größenordnung erhöhen und so die Toleranzen bei der Herstellung erhöhen. Core-shell Quantenpunkte werden mit höchst-möglicher Qualität und mit kontrollierter Oberflächenchemie hergestellt, um Einzelemitterexperimente zu ermöglichen. Auf Seiten der Theorie werden wir einen neuen Ansatz zur Beschreibung der Quantenoptik von Licht-Materie-Kopplung auf der Nanometerskala entwickeln, welcher die Struktur der quasinormalen Moden plasmonischer Nanoresonatoren genauso berücksichtigt wie ihre Rolle bei der breitbandigen Wechselwirkung von Licht und Materie. Unsere Ergebnisse werden zu einem Verfahren führen, mit dessen Hilfe starke und gegebenenfalls auch ultrastarke Licht-Materie Wechselwirkung als neuartige Quantenressource verwendet werden kann. Die Zugänglichkeit dieser Ressource wird durch die reduzierten Anforderungen an Präzision, aufgrund der verstärkte Kopplung, deutlich verbessert. Diese "Quanten-Normalmoden Theorie" wird ein vollständiges theoretisches Gerüst zur genauen Vorhersage der Licht-Materie Quantendynamik bei extremen Bedingungen liefern und wird ein nützliches Werkzeug zur Entwicklung von Bauteilen im Bereich Quanteninformation und Quantensensorik, insbesondere eines Einzelphotonentransistors mit skalierbarer Architektur, darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Irland, Polen
• Großgeräte: White light laser
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ortwin Hess; Professor Dr. Artur Podhorodecki