Optik, Dynamik und Transport von Exziton-Polaritonen in atomar dünnen Halbleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Ermin Malic
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524612380

Wenn atomar dünne Übergangsmetall-Dichalkogenide (engl. TMDs) in geeignete optische Mikrokavitäten integriert werden, können ihre fest gebundenen Exzitonen mit Photonen in der Kavität hybridisieren und so Exziton-Polaritonen ausbilden. Diese Hybrid-Teilchen erben Eigenschaften von beiden Bestandteilen und können die räumliche Kohärenz und die langen Ausbreitungslängen von Photonen mit der Abstimmbarkeit und Nichtlinearität materialbasierter Anregungen kombinieren. Die große Oszillatorstärke von TMD-Exzitonen führt zu einer massiven Rabi-Aufspaltung und die große Bindungsenergie ermöglicht Exziton-Polaritonen bei Raumtemperatur. Ein mikroskopisches Verständnis der Polariton-Relaxation ist für die Interpretation optischer Spektroskopie-Messungen sowie für das Verständnis von wichtigen Phänomenen, wie Bose-Einstein-Kondensation, unerlässlich. Bis heute beruht ein Großteil der TMD-Polariton-Theorie auf einfachen phänomenologischen Ratengleichungs-modellen. Außerdem wurde bisher der Einfluss von dunklen Exzitonen weitgehend vernachlässigt. In diesem Projekt schlagen wir vor, eine anspruchsvolle Vielteilchentheorie zu entwickeln, um das starke und sehr starke Kopplungsregime der Licht-Materie-Wechselwirkung in TMD-Monolagen sowie in verdrehten TMD-Bilagen auf mikroskopischer Ebene zu behandeln. Unser Forschungsplan besteht aus zwei Hauptzielen: - Mikroskopische Einblicke in das Zusammenspiel von Exzitonen, Photonen und Phononen innerhalb des starken Kopplungsregimes gewinnen und dabei lernen, wie man die Exziton-Phonon-Polariton-Physik durch Änderung des Verdrehungswinkels, der Kavitätslänge und der Temperatur steuern kann. Dabei wird ein kombinierter Wannier-Hopfield-Ansatz verwendet, um ein Modell der Polariton-Relaxation zu entwickeln, das die gesamte Exziton-Energielandschaft berücksichtigt. Dies wird es uns ermöglichen, die zeit- und energie-aufgelösten Vielteilchenprozesse hinter der Ausbildung und Thermalisierung von Intra- und Interlagen-Exziton-Polaritonen aufzudecken. Die Auswirkungen des sehr starken Kopplungsregimes auf Optik, Dynamik und Transport von TMD-Exzitonen verstehen. Aufgrund ihrer großen Oszillatorstärke bieten TMDs eine ideale Plattform, um dieses weitgehend unerforschte Regime zu untersuchen. Wir werden ein neues mikroskopisches Modell entwickeln, das sowohl gebundene Exziton-Zustände als auch ungebundene Elektron-Loch-Übergänge enthält. Das wird uns erlauben, die licht-induzierte Modifikation der Exziton-Wellenfunktion zu beschreiben und nach experimentellen Signaturen dieser neuartigen Physik zu suchen. Unsere langjährige Erfahrung in der Modellierung von Vielteilchenphysik und Licht-Materie-Wechselwirkungen versetzt uns in eine starke Position, um die Herausforderungen dieses Projekts erfolgreich zu meistern. Unsere Studie wird zu einem grundlegend besseren mikroskopischen Verständnis des starken und sehr starken Kopplungsregimes der Licht-Materie Kopplung in atomar dünnen Nanomaterialien führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen