Manipulation and Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Arash Rahimi-Iman
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421686649

Starke Kopplung von Exzitonen und Photonen in Halbleitern ruft durch kohärente Überlagerung zwei neue Eigenmoden des Systems hervor, die auch als Exziton-Polaritonen bekannt sind. Das Entstehen dieser Quasiteilchen ist sowohl für die grundlegende als auch angewandte Forschung von Bedeutung. Starke Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen erfolgt durch den Exzitonenanteil des gekoppelten Systems, während die sehr niedrige effektive Masse und eine hohe Mobilität der Teilchen auf den photonischen Anteil zurückzuführen sind. Basierend auf diesen Quasiteilchen entwickelte sich das Forschungsfeld der Polaritonkondensation im letzten Jahrzehnt im Anschluss an die erstmalige Demonstration der Bose-Einstein-Kondensation verdünnter Gase. Dieser größere 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 und neuartige Lichtquellen wie Polariton-Laser oder bosonische Terahertz-Laser wurden konzipiert. In den letzten Jahren wurden einzelne unabhängige Bemühungen zur experimentellen Verknüpfung von THz-Strahlung und Polaritonsystemen unternommen, um die Wechselwirkung von THz-Pulsen und Quantenfilm-Mikrokavitätssystemen zu untersuchen. Ziel dieses Projekts ist es, darüber hinausgehend ein besseres Verständnis zu erlangen, wie die Wechselwirkung von THz-Strahlung und Polaritongasen die kohärenten Zustände sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Regime beeinflussen. 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. Besonders die systematische Untersuchung THz-induzierter Effekte in verschiedenen Konfigurationen mittels Ultrakurzeit-Spektroskopieexperimenten und Mikrokavitätspolaritonen sind im Fokus dieses Projekts. Rabi-Oszillationen werden mittels digitaler Holographie direkt gemessen und die Effekte eines transienten THz-Pulses auf den kohärenten Energieaustausch zwischen Exziton und Photon untersucht. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen werden zudem weitere Einblicke in die Dynamik von Polaritonkondensaten unter Einfluss des elektrischen Feldes eines THz-Pulses gewähren. Die Wirkung von transienten elektrischen Feldern auf Polaritonkondensate, die einzigartige Spielwiesen für die Erforschung von Kondensationseffekten in Festkörpern sind, kann somit ermittelt werden. In diesem Zusammenhang soll ultraschnelle optische Schaltung zwischen kondensierten und unkondensierten Polaritonen oder polaritonischer und photonischer Emission erprobt werden. Daher wird dieses Projekt das Verständnis von Phänomenen in Bezug auf THz-Exziton-Polariton Kopplung signifikant erweitern und die zukünftige Verwertung dieser Effekte in neuen optischen Quantentechnologien unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Kooperationspartner: Dr. Lorenzo Dominici; Dr. Daniele Sanvitto