Erforschung von Vielteilchen-Wechselwirkungen in eindimensionalen dipolaren Exzitonengasen in atomar dünnen Halbleitern.

• Antragsteller: Dr. Pedro Soubelet, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525242381

Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMD) sind halbleitende Schichtmaterialien, die aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften das Interesse der Wissenschaft auf sich ziehen und sich sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technische Anwendungen eignen. Insbesondere können einlagige TMDs nach Belieben zu van-der-Waals-Heterostrukturen mit neuartigen elektronischen oder optoelektronischen Eigenschaften gestapelt werden. Diese neue Physik hat ihren Ursprung in der Entstehung stark korrelierter Quantenphasen an der 2D-Grenzfläche zwischen den Schichten. Eines der Hauptziele der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist die Entwicklung so genannter Quantensimulatoren auf der Grundlage von van-der-Waals-Heterostrukturen, einer neu entstehenden Hardware für die Quantenberechnung. Das präzise Stapeln zweier Monolagen über Flächen von mehr als ein paar µm2 ist jedoch eine Herausforderung, aufgrund der atomaren Rekonstruktion. Dies ist ein entscheidender Nachteil bei der technologischen Umsetzung und der Leistung von realen Geräten. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine einfache Plattform für einen optischen Quantensimulator zu schaffen, indem eindimensionale (1D) quantenbegrenzte Exzitonengase in einschichtigen TMDs erzeugt werden. Wir erzeugen die 1D-Exzitonen durch die Erschaffung großer elektrischer Feldgradienten in einem Substrat aus ferroelektrischem periodisch gepoltes Lithiumniobat (PPLN). 1D-Geometrien fördern die Entstehung von Vielteilchenphysik bei hohen Temperaturen in Schemata, die potenziell einfacher zu erhalten, robuster und reproduzierbarer sind als ihre 2D-Gegenstücke. Kürzlich wurde vorhergesagt, dass 1D-Exzitonengase in atomar dünnen TMDs einen Übergang von einem Tonks-Girardeau (TG)- zu einem Ladungsdichte-Wellen (CDW)-Regime durchlaufen, indem die Anzahl der wechselwirkenden Teilchen im System verändert wird. Die TG-Phase besteht aus einem Ensemble bosonischer Teilchen, die -wie Fermionen- das Pauli-Ausschlussprinzip in einem Prozess, der als "Fermionisierung" bezeichnet wird, nachahmen. Die TG-Phase ist von großem Interesse für die Entwicklung von Quantenkommunikationssystemen, da dieser Zustand die Erzeugung kohärenter Überlagerungen von stark wechselwirkenden Bosonen ermöglicht, die robust gegen den Verlust einzelner Teilchen sind (NOON-Zustände). Wichtig ist, dass die TG-Phase optische Fingerabdrücke aufweist, die in modernen Experimenten leicht untersucht werden können. Die Hauptziele dieses Projekts sind: (i) Entwurf und Herstellung eines geeigneten PPLN-Substrats zum Einfangen von 1D-Exzitonen in einlagigen TMDs. (ii) Untersuchung der Grundzustandseigenschaften von eingeschlossenen 1D-Exzitonen. (iii) Untersuchung von kollektiven Phänomenen und Vielkörperphasen des 1D-Exzitonengases. (iv) Erforschung des Phasenraums des Systems, Charakterisierung jeder zugänglichen Quantenphase und ihrer Kohärenzzeit. Der Erfolg dieses Projekts ist ein grundlegender Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines optischen On-Chip-Quantensimulators.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle