Offene fiberbasierte Kavität für spektroskopische Experimente in der Halbleiterquantenoptik

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517518181

Beantragt wird eine stabilisierte offene Fiberkavität zur Untersuchung von Halbleiterstrukturen im Rahmen von Fragestellungen der Quantenoptik. Die Kavität soll dazu dienen, für eine weite Reihe von Materialsystemen langzeitstabil das Regime der starken Licht-Materie-Kopplung bei kryogenen Temperaturen unterhalb von 5 Kelvin zu erreichen und dabei gleichzeitig eine hohe räumliche Auflösung im Bereich von einem Nanometer oder darunter bieten. Hierbei soll die offene Kavität zur Untersuchung einer weiten Bandbreite interessanter physikalischer Fragestellungen zu quantenoptischen Effekten in einer Vielzahl spannender Materialsysteme, zum Beispiel Rydbergexzitonen, Perowskiten, kolloidalen Nanoplatelets und TMDCs, dienen. Konkret von Interesse sind hier zum Beispiel Fragen zu (a) dem Skalierungsverhalten im Regime der starken Kopplung von Rydbergexzitonen im Bulk und in Mikrokristallen. (b) den Quantenzuständen von Polaritonkondensaten auf der Basis von TMDCs oder Perowskiten. Hier sind sowohl Messungen der Photonenstatisktik der Emission, als auch Ansätze im Rahmen der Quantenzustandstomographie hochinteressant. (c) der Kopplung von Halbleiterquantentechnologien, zum Beispiel der Nutzung von Quantenpunktensembles als Kurzzeitquantenspeicher für Quantenlicht aus Halbleiterlichtquellen, wobei die präzise Einstellbarkeit der Licht-Materie-Wechselwirkung in der offenen Kavität dazu dienen soll, die Bandbreite der unterschiedlichen Komponenten optimal anzupassen. (d) der räumlich aufgelösten Untersuchung von hypersensitiven Übergängen passivierter Lanthanoxidschichten, die erhebliches Potential im Bereich des Quantum Sensing aufweisen. (e) der räumllich aufgelösten Spektroskopie an monolagigen Sulfiden der seltenen Erden, um ein grundlegendes Verständnis der magneto-elastischen Eigenschaften dieser Materialklasse zu gewinnen. Die Durchstimmbarkeit der Kavitätsresonanz, des Modenvolumens und der untersuchten Position eröffnet hierbei fundamental neue Ansätze zur Untersuchung quantenoptischer Fragestellungen an Halbleitersystemen, die aufgrund der Nichtexistenz von passenden Braggresonatorstrukturen für diese Materialklassen bisher nicht oder nur unter sehr limitierenden Bedingungen den Bereich der starken Licht-Materie Kopplung erreicht haben. Aufgrund der extrem geringen Modenvolumina, die auf diesem Wege erreicht werden können, steht zu erwarten, dass für die genannten Materialsysteme routinemäßig sehr langlebige optische Kohärenzeigenschaften auf der Skala von Nanosekunden erreicht werden können, was einem großen Fortschritt in der quantenoptischen Spektroskopie entspricht.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Offene fiberbasierte Kavität für spektroskopische Experimente in der Halbleiterquantenoptik
• Gerätegruppe: 5730 Spezielle Laser und -Stabilisierungsgeräte (Frequenz, Mode)
• Antragstellende Institution: Technische Universität Dortmund
• Leiter: Professor Dr. Marc Alexander Aßmann