Planar optical nanocavities and their coupling to quantum emitters for on-chip photonics
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Diese Emmy Noether Nachwuchsgruppe wurde von der Vision getragen, die Wechselwirkung zwischen Licht (Photonen) und Materie (Elektronen, Exzitonen) in nanoskaligen integrierten photonischen Schaltkreisen zu kontrollieren. Es wurden zwei komplementäre Ansätze verfolgt: Im Projektteil „III-V semiconductor based photonic crystal membranes“ wurde die gezielte dynamische Kopplung von optisch aktiven selbstorganisierten Quantenpunkten und nanophotonische Resonatoren in Halbleiter-basierten Membranen und deren dynamische Kontrolle mittels akustischer Oberfächenwellen untersucht. Es gelang uns in einem ersten bahnbrechenden Experiment, sowohl die nanophotonische Mode als auch einzelne Quantenemitter mit bis dato unerreichten Frequenzen im Gigahertz-Bereich zu kontrollieren. In einem aufbauenden Experiment konnten wir zeigen, dass unsere Methode gezielt die quantenmechanische Kopplung zwischen einem einzelnen Quantenpunkt und photonischer Mode ein- und ausschalten kann. Die atomartige Natur des Quantenpunktes wurde gezielt genutzt, um mit dieser akusto-opitschen Methode eine präzise regulierte Emission einzelner Photonen zu realisieren. In einer theoretischen Untersuchung konnte darüber hinaus gezeigt, dass durch sogenannte Landau-Zener-Übergänge gezielt verschränkte Quantenzustände zwischen einem einzelnen Photon und einer einzelnen elektronischen Anregung des künstlichen Atoms (Exziton). Die für diese Methode notwendigen maßgeschneiderten nanomechanischen Pulse konnten durch Fouriersynthese – wie in einer Hammond-Orgel für Nanoschallwellen – experimentell demonstriert werden. Dieses bahnbrechende Experiment erlaubt es, wie für elektromagnetische Wellen seit Jahrzehnten etabliert, nun auch mit nanomechanischen Wellen (Quanten-)Zustände zu kontrollieren. Im Projektteil „Silicon photonics with ion-beam synthesized nanocrystals“ wurden Siliziumkompatible nanophotonische Resonatoren und Quantenpunkte mittels Ionenstrahlsynthese positionsgenau durch nanostrukturierte Masken in einer SiO2 Matrix hergestellt. Diese Strukturen wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur Realisierung von nanophotonischen Bauelementen untersucht und optimiert. Zum einen wurden Vanadiumdioxid (VO2) Nanopartikel untersucht und in neuartige hybride optische Elemente integriert. VO2 weist einen Phasenübergang von einem isolierenden inn einen metallischen Zustand auf. Da dieser Phasenübergang bei knapp über Zimmertemperatur stattfindet, macht dieses Material besonders für die praktische Anwendung interessant. Wir konnten beispielhafte schaltbare optische Elemente wie Beugungsgitter realisieren. Zum anderen wurden Cadmiumselenid (CdSe) Nanopartikel hergestellt. Durch den Einsatz nanoskliger Implantationsmasken konnten gezielt einzelne Nanopartikel positionsgenau hergestellt werden. Die so hergestellten Nanopartikel wiesen optisch Eigenschaften ähnlich ihrer in Lösung chemisch synthetisierten CdSe-Quantenpunkte auf. Diese mit Ionenstrahl-Implantation, einem Standardverfahren der Halbleiterindustrie, hergestellten Quantenpunkte konnten unmittelbar in neuartigen Siliziumdioxid (SiO2) nanophotonische Resonatoren integriert werden. In diesen Strukturen konnte mit dem sogenannten Purcell-Effekt ein klarer Fingerabdruck der durch den nanophotonischen Resonator vermittelte Verstärkung der Licht-Materie Wechselwirkung nachgewiesen werden. Die hier entwickelten nanophotonischen Resonatoren konnten in einer aufbauenden Arbeit mit modernsten, monolagigen zwei-dimensionalen Halbleitermaterialien (MoS2) kombiniert werden. Wir konnten sogar zeigen, dass unsere Methode skalierbar ist und nur auf etablierte Methoden der Halbleiterfertigung basiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Dynamic modulation of photonic crystal nanocavities using gigahertz acoustic phonons. Nature Photonics 5, 605-609 (2011)
D. A. Fuhrmann, S. M. Thon, H. Kim, D. Bouwmeester, P. M. Petroff, A. Wixforth, H. J. Krenner
- Ion beam synthesis of nanothermochromic diffraction gratings with giant switching contrast at telecom wavelengths. Applied Physics Letters 100, 231911 (2012)
J. Zimmer, A. Wixforth, H. Karl, H. J. Krenner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4728110) - Entanglement generation in a quantum dot-nanocavity system by Fourier-synthesized acoustic pulses. Physical Review A 89, 012327 (2014)
R. Blattmann, H. J. Krenner, S. Kohler, P. Hänggi
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.89.012327) - Fully reconfigurable photonic elements formed by optically imprinted micropatterns of insulating and persistently supercooled VO2 nanocrystals. Applied Physics Letters 105, 071107 (2014)
T. Jostmeier, J. Zimmer, H. Karl, H. J. Krenner, M. Betz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4893570) - Site-selective ion beam synthesis and optical properties of individual CdSe nanocrystal quantum dots in a SiO2 matrix. ACS Applied Materials & Interfaces 6, 1339-1344 (2014)
H. M. Mangold, H. Karl, H. J. Krenner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/am404227x) - Dynamic acousto-optic control of a strongly coupled photonic molecule. Nature Communications 6, 8540 (2015)
S. Kapfinger, T. Reichert, S. Lichtmannecker, K. Müller, J. J. Finley, A. Wixforth, M. Kaniber, H. J. Krenner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms9540) - Fourier synthesis of radio frequency nanomechanical pulses with different shapes. Nature Nanotechnology 10, 512-516 (2015)
F. J. R. Schülein, E. Zallo, P. Atkinson, O. G. Schmidt, R. Trotta, A. Rastelli, A. Wixforth, H. J. Krenner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/NNANO.2015.72) - Surface acoustic wave regulated single photon emission from a coupled quantum dot– nanocavity system. Applied Physics Letters 109, 033105 (2016)
M. Weiß, S. Kapfinger, T. Reichert, J. J. Finley, A. Wixforth, M. Kaniber, H. J. Krenner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4959079) - Scalable Transfer-Free Fabrication of MoS2/SiO2 Hybrid Nanophotonic Cavity Arrays with Quality Factors Exceeding 4000. Scientific Reports 7, 7251(2017)
S. Hammer, H. M. Mangold, A. E. Nguyen, D. Martinez-Ta, S. Naghibi Alvillar, L. Bartels, H. J. Krenner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-07379-2) - Multiharmonic frequency-chirped transducers for surface-acoustic-wave optomechanics. Physical Review Applied 9, 014004 (2018)
M. Weiß, A. L. Hörner, E. Zallo, P. Atkinson, O. G. Schmidt, A. Rastelli, A. Wixforth, H. J. Krenner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.014004)
