GraSP_Graphene Oberflächen Plasmonen für steuerbare Resonator-Quantenelektrodynamik

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Rockstuhl
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 378579271

Wir möchten in dem GraSP Projekt plasmonische Nanostrukturen aus Graphen verwenden, um die Wechselwirkung von Licht mit Materie umfassend kontrollieren und maßschneiden zu können. Graphen bietet sich hierfür besonders an, da es spektral breitbandig, einstellbar und extern steuerbare plasmonische Eigenschaften besitzt. Graphen erlaubt die Lokalisierung infraroter elektromagnetischer Felder in nanometrische Raumgebiete sehr viel kleiner als die Wellenlänge. Graphen hat eine stark reduzierte Absorption für Photonenenergien kleiner als die Fermienergie. Das Besondere an Graphen ist aber die Möglichkeit, die Fermienergie nach Bedarf mit verschiedenen externen Mechanismen einstellen zu können. Dies birgt ein enormes Potential, die plasmonischen Eigenschaften von Graphen individuell an die Bedürfnisse im Kontext verschiedener Anwendungen anpassen zu können. Kombiniert mit der außergewöhnlich hohen Lebenszeit eines Graphenplasmons, steht uns ein äußerst faszinierendes Material zur Kontrolle der Wechselwirkung von Licht mit atomaren Systemen, z.B. Moleküle oder Quantenpunkte zur Verfügung. Ziel unseres Projektes ist die Untersuchung der Quantenelektrodynamik mit Graphenresonatoren, welche zeitabhängige, kontrollierbare Eigenschaften besitzen. Unter zusätzlicher Nutzung der Möglichkeit die Koppelstärke, die Emissionseigenschaften, die spektralen Eigenschaften und die nichtlineare Wechselwirkung zu kontrollieren, eröffnen sich ungeahnte Möglichkeiten für verschiedenste Anwendungen im weiteren Umfeld der Signalverarbeitung auf Einzelphotonenniveau. Die wissenschaftlichen Arbeiten im Projekt sind zweigeteilt. Zum einen möchten wir die theoretischen und numerischen Werkzeuge zur Beschreibung der Wechselwirkung von Graphenresonatoren mit atomaren Systemen und Licht erarbeiten und weiterentwickeln. Dies verlangt Untersuchungen der optischen Eigenschaften ausgewählter Graphenresonatoren aber auch die dynamische Beschreibung der zeitlichen Entwicklung des gekoppelten Systems mit Methoden der Quantenmechanik. Zum anderen wollen wir das Potential von Graphen analysieren, die Dynamik und die spektralen Eigenschaften atomarer Systeme zu kontrollieren. Wir wollen die Grundlagen zur Nutzung plasmonischer Graphenresonatoren für eine Vielzahl von Anwendungen schaffen. Beispiele dieser Anwendungen sind logische Quantengatter, Quellen für Licht mit nichtklassischen Eigenschaften oder für individuell adressierbare Atome. In dem GraSP Projekt wollen wir uns im Besonderen auf die dynamische Steuerbarkeit der Eigenschaften von Graphen und deren möglichen Nutzen im Kontext dieser Anwendungen konzentrieren.Das Projekt wird parallel an der Nikolaus Kopernikus Universität in der Arbeitsgruppe von K. Slowik und am Karlsruher Institut für Technologie in der Arbeitsgruppe von C. Rockstuhl durchgeführt. Die Gruppe von K. Slowik konzentriert sich auf die Analyse der Quantendynamik, die Gruppe von C. Rockstuhl auf die Analyse der plasmonischen Eigenschaften der Graphenresonatoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Kooperationspartnerin: Dr. Karolina Slowik