Nichtlineare Metaoberflächen für die Erzeugung von Quantenlicht (NoMaGiQ)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Mikhail Belkin, Ph.D.; Professorin Maria Chekhova, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568143457

Nichtlineare Metaoberflächen sind äußerst vielseitige Plattformen für die lineare und nichtlineare Optik und übertreffen oft ihre Gegenstücke in der Masse. Ihre Vorteile sind: große Bandbreite und ultraschnelle Reaktion, Integrierbarkeit zu komplexeren Einheiten und multifunktionales Verhalten. Heute finden nichtlineare Metasurfaces immer mehr Anwendung in der Quantenoptik. Sie werden als lineare optische Wandler für Quantenlicht und neuerdings auch als Quellen für verschränkte Photonen auf der Grundlage der spontanen parametrischen Abwärtskonversion (SPDC) eingesetzt. Als Quantenlichtquellen haben Metasurfaces nach dem Stand der Technik zwei Hauptmängel: den geringen Wirkungsgrad der SPDC und das relativ hohe Rauschen der Photolumineszenz (PL). Diese Nachteile schränken die Anwendungen nichtlinearer Metasurfaces als Quantenlichtquellen ein: Sie liefern eine weitaus schlechtere Rate und Reinheit von Photonenpaaren als Bulk-Quellen, und ihre Effizienz ist für die Erzeugung von gequetschtem Licht unzureichend. Unser erstes Ziel bei NoMaGiQ ist es, die SPDC-Rate in Metaoberflächen um Größenordnungen zu erhöhen und gleichzeitig die PL-Rate drastisch zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden wir die Zusammensetzung des nichtlinearen Halbleitermaterials und die Wachstumsbedingungen optimieren, um Nichtlinearität, Pumpabsorption und nicht-strahlende Rekombinationsraten auszubalancieren. Außerdem werden wir die Kristallorientierung der Wafer, die für das Wachstum der nichtlinearen Epitaxieschicht und die Herstellung der Meta-Oberflächen verwendet werden, und die Geometrie der Meta-Atome so wählen, dass wir die höchste effektive nichtlineare Konversion erreichen und gleichzeitig die PL-Intensität minimieren. Mit einer erheblich gesteigerten SPDC-Effizienz erwarten wir, den Bereich moderater parametrischer Verstärkung zu erreichen, der für die Erzeugung von gequetschtem Vakuum ausreicht, und Quadratur-Quetschungen zu erzielen. Dieses Ergebnis wird die erste Beobachtung von gequetschtem Licht sein, das von einer Metasurface emittiert wird, und es wird einen Weg zur Erzeugung von Quantenzuständen jenseits von Photonenpaaren - zum Beispiel Clusterzuständen - auf der Nanoskala eröffnen. Schließlich werden wir die Aufwärtskonvertierung eines der verschränkten Photonen demonstrieren, indem wir dieselbe Metasurface verwenden, auf der die Paare erzeugt werden. Dieses Ergebnis wird die erste Demonstration des multifunktionalen Betriebs einer quantenoptischen Metasurface sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen