Thermometrie und Laserkühlen in Erbium dotierten nanophotonischen Silizium Wellenleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Reiserer; Dr. Kilian Sandholzer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559594594

Das Verständnis und die Erforschung von Quanteneffekten in Silizium-Nanostrukturen bilden die Grundlage für die Nutzung dieser Plattform für Quantentechnologien wie Sensoren, Quantencomputer oder Spin-Photon-Schnittstellen. Ein wichtiger Teil dieser Bemühungen ist das Wärmemanagement solcher Nanostrukturen, das derzeit mit Kryostaten erfolgt. Eine interessante Alternative wäre optisches kühlen, das eine lokale, berührungslose und erschütterungsfreie Kühlmethode darstellt. Bei Nanostrukturen könnte dies durch die Verringerung des Platzbedarfs und die gleichzeitige vereinfachte Isolierung von der Umgebung begünstigt werden. Die optische Kühlung von Silizium und anderen Halbleitern ist jedoch eine offene Herausforderung, und die Kühlung auf kryogene Temperaturen wurde bisher nur mit Seltenerdionen erreicht, die in makroskopische Wirtskristalle mit großer Bandlücke dotiert wurden. In dem beantragten Projekt wollen wir diese Herausforderung meistern, indem wir die Präzision von geleiteten Lichtmoden in nanophotonischen Geräten mit Erbium-Dotieratome in Silizium-Nanostrukturen kombinieren, um eine direkte optische Kühlung zu erreichen. Der erste Schritt besteht in der Nutzung der optischen Präzisionsspektroskopie der Erbium-Dotieratome zur Entwicklung eines lokalen Thermometers. Die thermische Isolierung wird erreicht, indem die Nanostrukturen an verjüngte optische Fasern angebracht werden, was gleichzeitig eine effiziente optische Kopplung gewährleistet. Damit wird die Thermalisierungsdynamik über Wärmestrahlung und -leitung für Wellenleiter mit Sub-Wellenlängenabmessungen bestimmt und die Materialabsorption quantifiziert. Schließlich wird die Machbarkeit der optischen Kühlung untersucht. Wenn unser Ansatz erfolgreich ist, wird er neue Möglichkeiten für die vibrationsfreie Kühlung von Silizium-Nanostrukturen eröffnen, mit möglichen Anwendungen in optomechanischen Quantentechnologien, rauscharmen Photodetektoren und Silizium-basierten Sensoren mit verbesserter Empfindlichkeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen