Verständnis der physikalischen Grundlagen von Photonen-Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Halbleiter-Mikrokavitäten

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Axel Pelster
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563751692

Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, die Grenzen des Verständnisses der physikalischen Grundlagen von Photonen-Bose-Einstein-Kondensaten (BECs) auf die Plattform von Halbleiter-laser-Mikrokavitäten zu erweitern. Basierend auf der Synergie zwischen modernen Experimenten in Wrocław und der Theorie in Kaiserslautern befasst sich das binationale Projekt mit Schlüsselfragen dieses neuen Forschungsfeldes im Bereich der Quantenflüssigkeiten des Lichts: Es soll erklärt werden, warum die gemessenen Spektraltemperaturen als Funktion des Antriebsstroms von der Gerätetemperatur abweichen. Es soll bestimmt werden, wie stark Photonen in Halbleiter-Mikrokavitäten effektiv miteinander wechselwirken, und es soll die physikalische Natur dieser Wechselwirkung entschlüsselt werden. Es soll untersucht werden, ob das Photonen-BEC in Halbleiter-Mikrokavitäten innerhalb der Berezhinskii-Kosterlitz-Thouless- oder der Kardar-Parisi-Zhang-Universalitätsklassen verstanden werden kann. Die Zeitskalen, die die Dynamik eines Photonen-BEC in einem Quench-Experiment beschreiben, sind zu bestimmen. Sowohl mikroskopische als auch molekularfeldtheoretische Modelle sollen entwickelt werden, um zu verstehen, warum Photonen-BECs in vertikal zur Oberfläche emittierenden Lasern (VCSELs) auftreten können. Diese Ziele werden durch einen kontinuierlichen Austausch zwischen Theorie und Experiment erreicht. Im experimentellen Teil werden nah- und fernfeldspektroskopische Methoden sowie Kohärenzmessungen eingesetzt. Kondensate werden in Kastenpotentialen in stromgetriebenen Experimenten hergestellt. Und es wird ein Quench-Experiment durchgeführt, bei dem mithilfe eines optischen Halbleiterverstärkers eine Anregungsrampe über den kritischen Punkt hinweg entworfen wird, um das universelle dynamische Verhalten zu testen. Im theoretischen Teil wird eine Lindblad-Mastergleichung für die kohärente und dissipative Dynamik photonischer und materieller Freiheitsgrade abgeleitet. Näherungslösungen bestimmen stationäre und dynamische Eigenschaften durch Interpolation zwischen Photonen-BEC und laserähnlichem Verhalten. Und diese mikroskopische Modellierung ermöglicht auch die Ableitung stochastischer Gross-Pitaevskii-Gleichungen und Ratengleichungen, was auf eine vereinfachte molekularfeldtheoretische Beschreibung dieser offen-dissipativen Systeme führt. Abschließend ist festzuhalten, dass sich das Projekt mit aktuellen Fragen zu Photon-BECs befasst. Es wird ein theoretischer Rahmen zur Beschreibung von Photonen-BECs in Halbleitern bereitgestellt und deren thermodynamischen sowie Nichtgleichgewichtseigenschaften werden gemessen. Damit erweitert das Projekt das Verständnis photonischer Kondensate auf Basis der neuen Halbleiterplattform. Und durch die Auseinandersetzung mit der Frage nach der Stärke der Photonenwechselwirkung in diesem System wird auf das Ziel hingearbeitet, photonische Superfluidität zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Polen
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Maciej Pieczarka; Professorin Dr. Marzena Szymanska