Optomechanische Hohlraumresonator-Quantenelektrodynamik mit Farbzentren in Diamant

• Antragstellerin: Professorin Dr. Giovanna Morigi, seit 1/2015
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236935559

Farbdefekte in Diamanteinkristallen sind isolierte Störstellen, die optisch angeregt werden können und Lichtquanten im sichtbaren Wellenlängenbereich aussenden. Diese Quantenemitter können mit dem Lichtfeld in optischen Mikroresonatoren stark koppeln, sodass die Wechselwirkung auf der Basis einzelner Photonen beschrieben werden muss. Die Resonatoren hoher Güte lassen sich durch neu entwickelte Methoden der Nanostrukturierung direkt in der Diamantmatrix durch photonische Kristalle realisieren. Mechanische Anregungen dieser Nanostrukturen modifizieren die optischen Eigenschaften des Resonators, während das im Resonator verstärkte Lichtfeld Strahlungskräfte auf den geformten Diamantkristall ausüben kann. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, die theoretische Beschreibung eines solchen hybriden Quantensystems zu entwickeln. In einem Regime, das durch Laserkühlung erreicht werden kann, müssen alle drei, der mechanische, photonische und elektronische Freiheitsgrad quantenmechanisch behandelt werden. Auf Grundlage des entwickelten Modells wird die Dynamik des Hybridsystems untersucht. Dabei sind zwei Schwerpunkte vorgesehen: (i) Die Analyse von gestreutem Licht. Emittierte Photonen tragen Information über das System und dessen Dynamik. Durch die Untersuchung ihrer Eigenschaften lassen sich diese Informationen auslesen, auf die experimentell nicht direkt zugegriffen werden kann. Die Beschreibung der Lichtstreuung wird ebenfalls zur Identifikation von Anwendungen führen, wie effiziente Kühlmethoden und Wellenlängenkonversion des gestreuten Lichts. (ii) Quantenzustandstransfer zwischen den Teilsystemen. Hierbei wird untersucht, inwieweit Quantenzustände unter den Teilsystemen übertragen werden können. Damit werden Aussagen generiert, inwieweit das untersuchte System als Schnittstelle in einem Quantennetzwerk dienen kann, welches zwischen ungleichartigen Freiheitsgraden vermittelt. Neben derartigen Anwendungen wird dieses Forschungsvorhaben auch allgemeine Ergebnisse und tiefer gehendes Verständnis der Dynamik ähnlicher hybrider Quantensysteme liefern, z.B. in atomoptischen Realisierungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Marc Bienert, bis 12/2014