Licht-Materie-Wechselwirkungsprojekte

Manipulation und Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG)

Manipulation and Control of Coherent States in Exciton-Polariton Systems (MacExP) (Research Project)

Exziton-Polaritonen, teils Licht, teils Materie, können durch optische Pulse einerseits angeregt und andererseits manipuliert oder kontrolliert werden. Um diese Polaritonen effektiv und zielgerichtet untersuchen zu können, bedarf es sowohl der starken Licht-Materie Kopplung in optischen Mikrokavitäten mit eingebetteten elektronischen Quantenstrukturen als auch der (optischen) winkelaufgelösten Spektroskopie zur Abtastung des sogenannten Fourier-Raums (auch als Phasenraum oder „k-Raum“ bekannt).

Ihre hybride Natur verleiht Polaritonen spezifische Vorteile gegenüber anderen Quasiteilchen in Halbleiterkristallsystemen, sowohl im linearen als auch nichtlinearen Regime. Mit ihnen gelang unter anderem die Demonstration dynamischer Bose-Einstein-artiger Kondensate, auf deren Grundlage sowohl die Erforschung von neuartigen Quantenflüssigkeiten in Festkörpern als auch elektrisch betriebener Polariton-Laser ermöglicht wurde. Auch optisch/elektromagnetisch zugängliche beziehungsweise kontrollierbare Quantenbits (Qubits), oder Quantensimulatoren, könnten auf ihnen beruhen, was sie attraktiv für die photonische Quanteninformationsverarbeitung macht.

Quasiteilchen:

In Halbleitern ruft die starke Kopplung von Exzitonen und Photonen durch kohärente Überlagerung zwei neue Eigenmoden des Systems hervor, die zuvor benannten Exziton-Polaritonen – aufgrund der oft essentiellen Lichtfeldlokalisierung in mindestens einer Raumrichtung in geeigneten optischen Resonatoren auch als Kavitäts-Polaritonen bekannt. Das Entstehen dieser Quasiteilchen ist sowohl für die grundlegende als auch angewandte Forschung von Bedeutung. Mittels des Exzitonenanteils des gekoppelten Systems erfolgen starke Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen, während ihre hohe Mobilität in den übrigen "freien" Raumrichtungen auf die sehr niedrige effektive Masse und auf den photonischen Anteil zurückzuführen sind.

Basierend auf diesen (Quasi-)Teilchen – "quasi" wegen ihres Vorliegens im Wirtkristall im Gegensatz zu Teilchen des Vakuums – entwickelte sich das Forschungsfeld der Polaritonkondensation in den letzten zwei Jahrzehnten im Anschluss an die erstmalige Demonstration der Bose-Einstein-Kondensation verdünnter Gase bei extrem tiefen Temperaturen. Die Polaritonkondensation als größerer Durchbruch in Hinblick auf Quasiteilchen in Festkörpern führte zu einer weitreichenden Erforschung von kondensationsbezogener Phänomene und Phasenübergänge, wie die spontane Ausbildung von Kohärenz, Superfluidität und Supraleitung. Sogar der Einsatz von Qubits basierend auf Polariton-Rabi-Oszillationen wurde untersucht und neuartige Lichtquellen wie Polariton-Laser oder bosonische Terahertz-Laser konzipiert. Zudem sind Polaritongase und –kondensate in (künstlichen) periodischen (Mikro-)Strukturen für neuartige Bauteile mit topologisch-geschützten Funktionalitäten oder für wechselwirkungsfähige lichtgestützte Quantensimulatoren attraktiv geworden.

Wechselwirkung mit THz-Feldern:

In den letzten Jahren haben sich die Bemühungen zur experimentellen Verknüpfung von Polaritonsystemen mit transienten Feldern der THz-Strahlung verstärkt, damit die Wechselwirkungen von THz-Pulsen und Quantenfilm-Mikrokavitätssystemen für die Entwicklung neuartiger Bauteile nutzbar werden. Die laufende Projektforschung zielt darauf ab, darüberhinausgehend ein besseres Verständnis zu erlangen, wie die Wechselwirkung von THz-Strahlung und Polaritongasen die kohärenten Zustände sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Regime beeinflusst. Dies soll den Weg zu ultraschneller Manipulation und Kontrolle von Licht-Materie-Kopplung und die Entwicklung von zukünftigen THz-Erzeugungskonzepten auf Basis von Exziton-Polaritonen ebnen. Insbesondere steht hierbei die systematische Untersuchung THz-induzierter Effekte in verschiedenen Konfigurationen mittels Ultrakurzeit-Spektroskopieexperimenten und Mikrokavitätspolaritonen im Fokus der Projektforschung.

Die digitale „off-axis“ Holographie ermöglicht uns die direkte optische Messung von Rabi-Oszillationen mit sub-ps Zeitauflösung, weshalb die Effekte eines transienten THz-Pulses auf den kohärenten Energieaustausch zwischen Exziton und Photon untersucht werden können. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen gewähren zudem weitere Einblicke in die Dynamik von Polaritonkondensaten, wie beispielsweise hier unter Einfluss des elektrischen Feldes eines THz-Pulses. Somit kann die Wirkung von transienten elektrischen Feldern auf Polaritonkondensate, welche bereits als einzigartige Plattform für die Erforschung von Kondensationseffekten in Festkörpern anerkannt sind, von komplementären Blickwinkeln ermittelt werden.

In diesem Zusammenhang möchten wir die ultraschnelle optische Schaltung zwischen kondensierten und unkondensierten Polaritonen oder polaritonischer und photonischer Emission erproben, um das Verständnis von Phänomenen in Bezug auf THz-Exziton-Polariton Kopplung signifikant zu erweitern und die zukünftige Verwertung dieser Effekte in neuen optischen Quantentechnologien zu unterstützen.

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit dem Advanced Photonics Lab am Institute of Nanotechnology, CNR NANOTEC, Lecce, Italien.

(Seite in Bearbeitung)

2D-Materialien-erweiterte Halbleiternanophotonik und Quantentechnologien (DFG)

2D-materials-enhanced semiconductor nanophotonics and quantum technologies (Research Projects)

Die Halbleiterphotonik und Quantentechnologien der ersten sowie zweiten Generation haben einen großen Beitrag zur modernen wissenschaftlichen und industriellen Entwicklung der letzten Jahrzehnte geleistet. Darunter ermöglichten sie optische, elektronische und optoelektronische Werkzeuge und Bauteile, welche einen starken Einfluss auf den Alltag des Menschen und auf die Wechselwirkung mit der Natur haben, mit unter anderem weitreichender Wirkung in Bezug auf die Informationsverarbeitung, Kommunikation, industrielle Produktion sowie medizinische Anwendungen. Demzufolge ist ein erkennbarer Schwerpunkt aktueller Forschungsbemühungen global, den stetigen Fortschritt an der Wissenschafts- und Ingenieursfront zu gewährleisten.

Flüchtiger Blick in die Quantenwelt:

Die Untersuchung von Quantenstrukturen und das Verständnis von Quantenphänomenen, beziehungsweise ihr praktischer Einsatz, sind ein wesentlicher Bestandteil der zeitgemäßen Forschung in den zwei einleitend genannten Schlüsseldisziplinen.

Zum Beispiel sind quantisierte Zustände in Nanokristallen und sogenannten Quantenpunkten im Fokus der Entwicklung von Einzelphotonenquellen und verschränkter Photonenpaare. Andererseits gibt es exotische Materiezustände, darunter Bose-Einstein-Kondensate, Superfluide und Supraleiter, die als aufsehenerregende Quantenregime kondensierter Materie mit ihren (außergewöhnlichen) Teilchenkorrelationen / Quantenkohärenz neue Bauelemente wie kohärente Lichtquellen, widerstandslose Stromleiter / reibungsfreie Fluide (im Allgemeinen Medien mit verlustarmer Energieübertragung) oder die noch in vieler Hinsicht exotischen Quantenbits (für neuartige Computer) versprechen.

Viel (Spiel-)Raum im Nanokosmos:

Ebenso wichtig für die schnelle Entwicklung oben genannter Technologien ist die Entdeckung neuartiger (halbleitender) Materialien und ihr angemessener Einsatz, beispielsweise mithilfe speziell optimierter, photonischer oder optoelektronischer Bauteile und Nanostrukturen.

Die monolagengenaue Kristallepitaxie und nanoskalenpräzise Photo- bzw. Elektronenstrahl-Lithographie bieten in vielen Bereichen moderner Nano- und Quantentechnologien unverzichtbare Herstellungsmethoden, während Selbstorganisationsansätze oder andere ‚Bottom-Up‘-Methoden zur Herstellung von Nanopartikeln und Schichtsystemen neue Gestaltungsmöglichkeiten liefern, beispielsweise mit van-der-Waals Materialien, Kolloide, Dielektrika oder dünnen Molekülfilmen.

Da makroskopische Materialien als (funktionalisierte) Nano(hetero)strukturen oft besondere und nicht selten wohldefinierte (einstellbare) optische, elektronische oder vibronische Eigenschaften aufweisen, ist der Materialstruktur- und Niederdimensionalitätsaspekt für viele Nano- und Quantentechnologien sehr bedeutsam.

Zwischenfazit:

Deshalb ist insgesamt die interdisziplinäre Arbeit an der Schnittstelle zwischen der Quantenphysik, Nanotechnologie, Materialwissenschaft und Photonik unausweichlich, besonders in Hinblick auf das Fortbestehen technologischen Fortschritts und technologischer Unabhängigkeit.

Quantennanophotonik:

Die wesentlichen wissenschaftlichen Vorhaben im Themenfeld der Nanophotonik-, Laser- und Quantenoptik- beziehungsweise Quantenstruktur-Forschung in der AG Rahimi-Iman sind besonders auf die kooperativ verfolgten Zielen der FNMS-COOP Gruppe und Fragestellungen fortschreitender Forschungsprojekte abgestimmt. Die Projektarbeiten samt der vielfältig kombinierten Methodik ergänzen einander oder verknüpfen die im Detail unterschiedlich akzentuierten Explorationen synergetisch, zielführend und erkenntnisbringend. Der Einsatz über mehrere Jahre angeeigneter Kompetenzen und Forschungsmethoden sowie die Weiterbildung von Nachwuchskräften ermöglicht dabei eine nachhaltige und effiziente Entwicklung der wissenschaftlichen Aktivitäten und die Vermittlung von Fachkenntnissen, auch über den Forschungsraum hinaus.

Die Forschung dieser Arbeitsgruppe befasst sich dabei primär mit grundlegenden und anspruchsvollen Studien an optisch-aktiven Nanomaterialien, ‚valleytronischen‘ Materialien, photonischen Mikro- und Nanobauteilen sowie Quantenstruktursystemen für zukünftige Anwendungen wie die integrierte Photonik, nichtlineare Optik, nichtklassische/quantenmechanische Lichterzeugung und der Entwicklung beziehungsweise dem Einsatz von Lasern.

Unter anderem möchten wir spannende Untersuchungen an neuartigen 2D und quasi-2D Systemen mit eigenartigen Resonanzen oder Quantenemittern sowie an optischen Bauelementen mit interessanten Licht–Materie-Kopplungsszenarien durchführen. Unsere Forschung zu aktuellen Fragestellungen wird durch die Möglichkeiten des 3D-Nanodrucks, der Laserspektroskopie und der Anwendung des maschinellen Lernens im (Nano-)Photonikdesign verstärkt.

Die freie, selbständige, kreative und auf eigene Kapazitäten konzentrierte Arbeit in diesen wichtigen Themengebieten im Verbund mit lokalen und überregionalen Partnern ist besonders durch die Förderung der Grundlagenforschung seitens der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt, deren mehrfache Förderung die Heisenberg-Arbeitsgruppe genießt.

(Seite in Bearbeitung)

siehe auch Manipulation und Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG)

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, China und den U.S.A, u.a. im DFG Schwerpunktprogramm SPP2244 und in der Chinesisch-Deutschen FNMS-COOP Gruppe.

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

1. O. Mey, A. Rahimi-Iman (2022): Machine Learning-Based Optimization of Chiral Photonic Nanostructures: Evolution- and Neural Network-Based Designs, Phys. Status Solidi RRL 2100571 (https://doi.org/10.1002/pssr.202100571 OpenAccess)
2. A. Rahimi-Iman (2021): Semiconductor Photonics of Nanomaterials and Quantum Structures: Applications in Optoelectronics and Quantum Technologies, Series in Solid-State Sciences 196, Springer Nature, Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69351-0).
3. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Optical dispersion of valley-hybridised coherent excitons with momentum-dependent valley polarization in monolayer semiconductor, 2D Materials 8, 015009 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/abb5eb OpenAccess).
4. C. C. Palekar, A. Rahimi-Iman (2021): Tunable Polymer/Air-Bragg Optical Microcavity Configurations for Controllable Light–Matter Interaction Scenarios, Phys. Status Solidi RRL 15, 2100182 (https://doi.org/10.1002/pssr.202100182 OpenAccess).
5. J. Zhu, H. Xu, Z. Wang, Y. Chen, S. Ma, N. Ali, H. Zhu, A. Rahimi-Iman, H. Wu (2020): Lateral photovoltaic mid-infrared detector with a two-dimensional electron gas at the heterojunction interface, Optica 7, 1394–1401 (https://doi.org/10.1364/OPTICA.398135)
6. A. Rahimi-Iman (2020): Polariton Physics: From Dynamic Bose–Einstein Condensates in Strongly-Coupled Light–Matter Systems to Polariton Lasers, Springer Series in Optical Sciences 229, Springer Intern. Publ., Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-39333-5).
7. F. Wall, O. Mey, L. M. Schneider, A. Rahimi-Iman (2020): Continuously-Tunable Light–Matter Coupling in Optical Microcavities with 2D Semiconductors,
   Sci. Rep. 10, 8303 (https://doi.org/10.1038/s41598-020-64909-1 OpenAccess).
8. P. Qing, J. Gong, X. Lin, N. Yao, W. Shen, A. Rahimi-Iman, W. Fang, L. Tong (2019):
   A simple approach to fiber-based tunable microcavity with high coupling efficiency,
   Appl. Phys. Lett. 114, 021106 (https://doi.org/10.1063/1.5083011).
9. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2019): Shedding light on exciton’s nature in monolayer quantum material by optical dispersion measurements, Opt. Express 27, 37131 (https://doi.org/10.1364/OE.27.037131 OpenAccess).
10. O. Mey, F. Wall, L. M. Schneider, D. Günder, F. Walla, A. Soltani, H. Roskos, N. Yao, P. Qing, W. Fang, A. Rahimi-Iman (2019): Enhancement of the Monolayer WS₂ Exciton Photoluminescence with a 2D-Material/Air/GaP In-Plane Microcavity, ACS Nano 13, 5259 (https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09659 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1812.10286).