Gezielte Erzeugung komplexer Multiphotonenzustände in miniaturisierten Halbleiter-Quantenbauteilen

• Antragsteller: Professor Dr. Sven Höfling; Professor Dr. Peter Michler; Professor Dr. Stephan Reitzenstein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403555215

Übergeordnetes Ziel des Projektes ist die Erzeugung von Multiphotonenzuständen über Halbleiter- Quantenbauelemente. Solche Multiphotonenzustände sind von höchstem Interesse im Bereich der photonischen Quantentechnologie. So erlauben so genannte N-Photon N00N-Zustände hochpräzise Phasenmessungen jenseits klassischer Grenzen. Während einzelne Photonen mit hoher Qualität und Emissionsrate heutzutage über hochoptimierte Quantenpunktlichtquellen erzeugt werden können, stecken die Generation von Multiphotonenzuständen und die Anwendung dieser Quantenzustände noch in den Kinderschuhen. Auf Grund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten und äußerst interessanter Fragestellungen richten aktuelle Arbeiten ihr Augenmerk nun verstärkt auf dieses attraktive und bislang nur eingeschränkt erforschte Gebiet der Quanten-Nanophotonik. Entsprechende Arbeiten zeigen die Attraktivität und die Machbarkeit entsprechender Konzepte. Allerdings erfordern darüber hinaus gehende Studien und Anwendungen ein tieferes Verständnis der involvierten Prozesse und eine bessere technologische Kontrolle der Strukturen selbst. Vor diesem Hintergrund sollen im vorliegenden Projekt einzelne Halbleiter-Quantenpunkte über deterministische Nanofabrikationsmethoden gezielt in Mikrotürmchen und Mikrolinsen eingebettet und extern systematisch kontrolliert werden. Die Bauteilintegration erhöht dabei die Licht-Materie-Wechselwirkung und die Photonenauskoppeleffizienz. Sie soll durch Piezo-Elemente komplettiert werden, um die spektralen Eigenschaften der Quantenpunkt-Mikrostrukturen komfortabel und sehr reproduzierbar über Spannungsvariation zu kontrollieren. Diese technologischen Arbeiten bilden zusammen mit ausgefeilten quantenoptischen Methoden wie der Zweiphoton-resonanten Anregung, die notwendige Grundlage für die geplanten komplexen experimentellen Arbeiten. Die physikalischen Fragestellungen konzentrieren sich auf die Multiphotonenerzeugung über die Biexziton-Exziton-Kaskade von Halbleiter-Quantenpunkten. Die reichhaltige Physik dieser Kaskade und das resonante Treiben der Übergänge durch Zweiphotonen-Anregung soll es zum Beispiel erlauben, über "leapfrog"-Prozesse zwischen bekleideten Zuständen Zwei- und N-Photon-Bündel zu erzeugen. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt widmet sich polarisationsverschränkten Photonenpaaren und N=4 NOON Zuständen, die ebenfalls über die resonant getriebene Biexziton-Exziton-Kaskade generiert werden sollen. Darüber hinaus gehend ist es geplant, Franson-Interferometrie mittels solcher Photonenpaare zu betreiben, um die Verletzung der Bell’schen Ungleichung nachzuweisen. Alle Arbeitspunkte profitieren in allen Aspekten von einer intensiven und engen Zusammenarbeit zwischen den drei Partnern. Die Kooperation ergänzt auf ideale Weise die komplementäre Expertise der beteiligten Partner in der Halbleitertechnologie und der Halbleiterspektroskopie, und kann auf langjährige gemeinsame (Projekt-) Erfahrung aufbauen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen