Quantenoptische Effekte in Quantenpunkt-Mikroresonatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Jahnke
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167776844

Im Rahmen des Projekts werden mikroskopische Modelle zur Beschreibung von Halbleiter- Quantenpunkten als aktives Material in neuen nichtklassischen Lichtquellen entwickelt und in direkten Theorie-Experiment-Vergleichen ausgewertet. Für atomare Systeme wurden vor kurzem superradiante Laser realisiert, in denen eine spontane Synchronisierung der Atome ausgenutzt wird um die spektrale Reinheit der Emission enorm zu verbessern. Gleichzeitig wird die Emission nicht in Form von Photonen im Resonator gespeichert, sondern als kohärente Phase der Emitter. Ziel des Projekts ist die Untersuchung entsprechender Effekte in Halbleiter-Quantenpunktsystemen. Nachdem bereits in der Literatur erste Arbeiten zu einer superradianten Kopplung in der Lumineszenz von Quantenpunkten existieren, konnte in der zurückliegenden Projektphase eindeutige Signaturen für Superradianz in Quantenpunkt-Mikrolasern nachgewiesen werden. In einer direkten Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment sollen Systeme und Anregungsbedingungen identifiziert werden, in denen die superradiante Kopplung von Quantenpunkten eine zentrale Rolle spielt. In gewöhnlichen Lasern erfolgt die Anregung der Quantenpunkte über Barrierenzustände. Die nachfolgende Ladungsträgerrelaxation führt zu einer Dephasierung, die das aktive Material in das inkohärente Regime treibt. Durch resonante Anregung der Quantenpunktzustände wird die homogene Linienbreite deutlich reduziert. Wenn diese die Resonatorlinienbreite unterschreitet, wird das ``Bad-Cavity-Regime'' erreicht, in dem für atomare Systeme der superradiante Laser demonstriert wurde. Für Quantenpunktlaser soll untersucht werden, inwieweit sich die superradiante Kopplung gegen die detrimentelle inhomogene Verbreiterung des Halbleitersystems durchsetzten kann, die ihrerseits durch die nichtresonante Quantenpunkt- Kavitätskopplung abgemildert wird. Außerdem sollen im Zusammenhang mit entsprechenden experimentellen Untersuchungen unterschiedliche Arten der Anregung durch kohärentes oder thermisches Licht berücksichtigt werden. In der theoretischen Beschreibung der Quantenpunkte sollen halbleiterspezifische Effekte mikroskopisch berücksichtigt werden.Mit den bereits jetzt nachgewiesenen Signaturen superradianter Kopplungseffekte der Emitter in Quantenpunktlasern sollen folgenden Anwendungen realisiert werden:Erzeugung nichtklassischer Lichtzustände mit Super-Poison-Statistik.Ausnutzung kollektiver Kopplungseffekte der Emitter zur Reduktion der Laserschwelle und zurErzielung einer schnelleren Emissionsdynamik, sowie zur stimulierten Emission bei sehr niedrigermittlerer Photonenzahl.Verbesserung der Kohärenzeigenschaften der Emission durch superradiante Kopplung derEmitter.Verbesserte kohärente Lichtquellen sowie nichtklassische Lichtquellen haben zahlreiche Anwendungen in der Grundlagenforschung zur Quantenoptik und in den sich rasch entwickelnden Quanteninformationstechnologien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen