Quantenoptische Effekte in Quantenpunkt-Mikroresonatoren

• Applicant: Professor Dr. Frank Jahnke
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2010 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 167776844

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Durch immer weitere Miniaturisierung photonischer Systeme wurden Halbleiterlaser realisiert, deren Ausdehnungen die Größenordnung der Lichtwellenlänge erreichen. Verbunden mit der Miniaturisierung ist eine deutliche Energieeinsparung bei der Erzeugung kohärenten Lichts, welches z.B. in optischen Netzwerken zur Datenübertragung mit sehr vielen Komponenten wie dem Internet zu massiven Senkungen der Betriebskosten führen kann. Allerdings zeigen diese stark miniaturisierten Laser zahlreiche neue und überraschende Eigenschaften, die letztlich darauf basieren, dass quantenoptische Effekte eine Rolle spielen. Kohärente Lichtemission kann nicht mehr einfach als klassische elektromagnetische Welle beschrieben werden, sondern die quantenmechanische Natur des Lichtes, repräsentiert durch Photonen, wird wichtig. Die theoretische Beschreibung der statistischen Eigenschaften der Photonen im direkten Vergleich mit aktuellen Experimenten auf diesem Gebiet war Gegenstand dieses DFG-Projekts. Untersucht wurden geänderte spontane Emissionseigenschaften in Anwesenheit eines Nanoresonators, welche die Laserschwelle reduzieren und Photonkorrelationen modifizieren. Für Quantenpunkte als aktives Material in Nanolasern wurden Signaturen einer radiativen Kopplung der Emitter identifiziert und deren quantitative Größenordnung in aktuellen Experimenten vorhergesagt. Durch direkte Theorie-Experiment-Vergleiche wurden neue Eigenschaften der Laseremission in Nanolasern identifiziert.

Publications

• Giant photon bunching, superradiant pulse emission and excitation trapping in quantum-dot nanolasers, Nature Communications 7, 11540 (2016)
  F. Jahnke, C. Gies, M. Aßmann, M. Bayer, H.A.M. Leymann, A. Foerster, J. Wiersig, C. Schneider, M. Kamp, and S. Höfling
  
• A few-emitter solid-state multi-exciton laser, Scientific Reports 7, 7420 (2017)
  S. Lichtmannecker, M. Florian, T. Reichert, M. Blauth, M. Bichler, F. Jahnke, J.J. Finley, C. Gies, and M. Kaniber
  
• Emission from quantum-dot high-β microcavities: transition from spontaneous emission to lasing and the effects of superradiant emitter coupling, Light: Science & Applications
  S. Kreinberg, W.W. Chow, J. Wolters, C. Schneider, C. Gies, F. Jahnke, S. Höfling, M. Kamp, and S. Reitzenstein
  
• Strong light-matter coupling in the presence of lasing, Phys. Rev. A 96, 023806 (2017)
  C. Gies, F. Gericke, P. Gartner, S. Holzinger, C. Hopfmann, T. Heindel, J. Wolters, C. Schneider, M. Florian, F. Jahnke, S. Höfling, M. Kamp, and S. Reitzenstein
  
• A quantum optical study of thresholdless lasing features in high-β nitride nanobeam cavities, Nature Communications 9, 564 (2018)
  S.T. Jagsch, N.V. Trivino, F. Lohof, G. Callsen, S. Kalinowski, I.M. Rousseau, R. Barzel, J.-F. Carlin, F. Jahnke, R. Butte, C. Gies, A. Hoffmann, N. Grandjean, and S. Reitzenstein
  
• Delayed formation of coherence in the emission dynamics of high-Q nanolasers, Optica 5, 395 (2018)
  G. Moody, M. Segnon, I. Sagnes, R. Braive, A. Beveratos, I. Robert-Philip, N. Belabas, F. Jahnke, K.L. Silverman, R.P. Mirin, M.J. Stevens, and C. Gies