GaAs Quantenpunkte: von der Form zur Funktion

• Antragsteller: Dr. Arne Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559683823

Das Ziel dieses Projekts ist eine umfassende experimentelle und theoretische Beschreibung der Ladungs- und Spineigenschaften von verspannungsfreien GaAs-Quantenpunkten (QDs), wobei der Schwerpunkt auf den Loch-Spin-Eigenschaften liegt. QDs bilden die Grundlage für hervorragende Einzelphotonenquellen. Die Quellen sind schnell: In jeder Nanosekunde kann ein Photon erzeugt werden. Die Quellen sind außerdem rein (es gibt eine geringe Wahrscheinlichkeit von Mehrphotonenemission) und kohärent (es gibt eine hohe Sichtbarkeit von Zwei-Photonen-Interferenz). Außerdem kann ein QD mit einem einzelnen Elektron beladen werden. Unter Ausnutzung des Spin-Freiheitsgrades dieses Elektrons wird ein QD zu einer Quelle von Clusterzuständen. Ein bemerkenswertes Beispiel ist der 3-Photonen-GHZ-Zustand, ein sogenannter Ressourcenzustand. Als schnelle, reine, kohärente Clusterzustandsquellen werden QDs eine wichtige Rolle in der Quantentechnologie spielen, insbesondere in der Quantenkommunikation und der photonischen Quanteninformationsverarbeitung. Herkömmliche QDs bestehen aus InGaAs in einer GaAs-Matrix und werden nach dem Stransky-Krastanov-Verfahren hergestellt. Dies führt zu hochverspannten QDs. Bei einer alternativen Methode werden Al-Tropfen verwendet, um Nanolöcher in eine AlGaAs-Oberfläche zu ätzen und anschließend mit GaAs gefüllt. Dies bildet verspannungsfreie GaAs-in-AlGaAs-QDs. Diese weisen außergewöhnliche Eigenschaften auf: gut sichtbare Zwei-Photonen-Interferenz (93 %), verschränkte Photonen mit hoher Zuverlässigkeit (98 %) und lange Erhaltung der Spin-Überlagerung (100 Mikrosekunden). GaAs-QDs emittieren im roten Spektrum und sind dabei auf Rb-Atomlinien abstimmbar. Damit sind sie Kandidaten für Einzelphotonenspeicherung. GaAs-QD-Photonen können in das Telekommunikations-C-Band umgewandelt werden. Eine weitere praktische Eigenschaft. GaAs-QDs unterscheiden sich von InGaAs-in-GaAs-QDs durch ihre Struktur und Verspannung, was sich auf die Elektronen- und Lochzustände auswirkt. An diesem Projekt sind Forschungsgruppen aus der Schweiz, Deutschland und Polen beteiligt, die experimentelle Halbleiterphysik, Materialwissenschaft und atomistische Theorie miteinander verbinden. Unser Ziel ist es, die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von GaAs QDs durch fortschrittliche Wachstumstechniken, spektroskopische Methoden und Simulationen auf atomistischer Ebene zu verstehen, um ihre Anwendungen in der Quantentechnologie zu unterstützen. Die vorgeschlagene Forschung zielt auf die Beantwortung von zwei Schlüsselfragen bezüglich der physikalischen Eigenschaften von verspannungsfreien GaAs-QDs ab. Die Antworten werden ihre Rolle in der Quantentechnologie bestimmen. Die Fragen lauten: Wie werden die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von GaAs-QDs durch ihre Form, Größe, Zusammensetzung und Umgebung bestimmt? Und wie kann man spannungsfreie QDs für eine optimale Quantenkontrolle entwerfen?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen, Schweiz
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Krzysztof Gawarecki; Professor Dr. Pawel Machnikowski; Professor Dr. Richard Warburton