Korrelationseigenschaften von Photonen aus MAGnetIsch dotierten Quantenpunkten (Photon-MagiQ)

• Antragstellerin: Professorin Dr. Doris Reiter
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 577681036

Halbleiter-Quantenpunkte gehören zu den fortschrittlichsten Festkörper-Quantenemittern, denn sie kombinieren eine hohe Photonenausbeute mit exzellenter Photon-Qualität. Ein vielversprechender Ansatz zur Erweiterung ihrer Möglichkeiten besteht in der Dotierung mit einzelnen magnetischen Ionen. Über starke Austauschwechselwirkungen prägen die magnetischen Ionen die elektronische und optische Struktur der Quantenpunkte und führen zu komplexen Spin-Photon-Wechselwirkungen. Dadurch eröffnen sich neuartige Funktionalitäten: Magnetisch dotierte Quantenpunkte stellen einerseits ein natürliches Spin-Photon-Interface dar, andererseits bieten sie die Möglichkeit zur Erzeugung spektral unterscheidbarer, spin-verschränkter Photonen sowie potenziell stark korrelierter Vielphotonenzustände. Trotz dieser interessanten Eigenschaften sind magnetisch dotierte Quantenpunkte bislang kaum systematisch im Kontext der Quantenphotonik untersucht worden. Bis in die Mitte der 2000er Jahre galten Quantenpunkte mit nur einem einzelnen magnetischen Ion als exotische Systeme, doch in den letzten Jahren wurden immer mehr solcher Systeme realisiert. Gleichzeitig standen für eine realistische theoretische Modellierung der großen Hilberträume mit Spin-Photon-Kopplung lange Zeit keine geeigneten Methoden zur Verfügung. Mit der Etablierung moderner Open-Quantum-System-Frameworks (z. B. Tensor-Netzwerk-Methoden wie ACE oder das Simulationspaket QuTiP) und fortgeschrittenen Methoden zur Berechnung zeitaufgelöster Vielzeit-Korrelationsfunktionen ist es nun erstmals möglich, die Photonendynamik solcher Systeme quantitativ und in physikalisch realistischen Parameterräumen zu beschreiben. Das beantragte Projekt Photon-MagiQ setzt genau hier an. Ziel ist es, die Spin–Photon-Dynamik in magnetisch dotierten Quantenpunkten systematisch zu untersuchen und das Potenzial dieser Systeme für die Quantenphotonik realistisch zu bewerten. Im Mittelpunkt stehen dabei folgende Fragen: (i) Können magnetisch dotierte Quantenpunkte im Vergleich zu undotierten Emittern einen echten Vorteil für die Quantenphotonik bieten? (ii) Welche physikalischen Mechanismen bestimmen die durch die magnetischen Ionen hervorgerufenen Änderungen in Photonenkorrelationen, Verschränkung und Emissionsqualität? (iii) Lassen sich quantitative theoretische Benchmarks ableiten, die robust genug sind, um als Grundlage für zukünftige Experimente zu dienen? Der erwartete Beitrag des Projekts ist ein quantitatives, theoretisch fundiertes Rahmenwerk, das die Chancen und Grenzen magnetisch dotierter Quantenpunkte für die Quantenphotonik klar herausarbeitet. So soll ein neuer Weg für die Erzeugung strukturierter, verschränkter Photonenquellen im Festkörper aufgezeigt werden. Damit leistet Photon-MagiQ einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis komplexer Licht–Materie-Wechselwirkungen und zur Weiterentwicklung der Quantenphotonik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen