Nichtlineare THz-Dynamik und Quantenvakuum-Photonik gequetschter Quantenvakua

• Antragsteller: Professor Dr. Dominique Bougeard; Professor Dr. Rupert Huber, seit 2/2021
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 231111959

Optische Resonatoren bieten faszinierende Möglichkeiten, die Wechselwirkung von Licht und Materie gezielt zu kontrollieren. Die Vakuum-Rabifrequenz R gibt die Rate an, mit der Photonen durch Absorp-tion und spontane Emission zwischen dem Lichtfeld und einem elektronischen Übergang ausge-tauscht werden. Im Nahfeld eines Mikroresonators lässt sich diese Rate drastisch überhöhen. Falls R alle relevanten Verluste übersteigt, bildet das stark gekoppelte System neue Eigenzustände von ge-mischtem Licht- und Materie-Charakter aus. Jüngst wurden für R Werte von der Größenordnung der Trägerfrequenz f selbst erreicht. Man spricht von ultrastarker Kopplung.Im vorliegenden Projekt soll das Quantenvakuum maßgeschneiderter Terahertz-Metamaterialien ult-rastark an die Zyklotronresonanzen zweidimensionaler Elektronengase in Halbleiterquantenfilmen und Graphen gekoppelt werden. Bislang unerreichte relative Kopplungsstärken R/f größer als 1 werden angestrebt. Zudem stellen wir neue Konzepte vor, mit denen die Vakuum-Rabifrequenz quasi-instantan verändert werden kann. Dieser Ansatz eröffnet die spektakuläre Perspektive, neuartige quantenelektrodynamische Phänomene wie Quetschung und Instabilitäten von Quantenvakua sowie Emission korrelierter Photonen aus dem Vakuum zu beobachten. Dieses neuartige Forschungsgebiet wird in drei Arbeitspaketen erschlossen:(i) Zunächst wird die Kopplung zwischen Metamaterialien und Inter-Landauübergängen in Halblei-terheterostrukturen durch optimierte Epitaxie und Lithographie maximiert. Mit breitbandigen Terahertz-Transienten werden die Eigenzustände der gekoppelten Systeme vermessen. Besonders vielverspre-chend ist dabei ein Vergleich der fundamental unterschiedlichen Eigenschaften von Elektronen in Halbleiter-Quantenfilmen mit masselosen Dirac-Quasiteilchen in Graphen. Erstmals wird auch ein theoretisch vorhergesagter Phasenübergang des ultrastark gekoppelten Quantenvakuums experimen-tell untersucht.(ii) Mithilfe der extremen Subzyklen-Zeitauflösung moderner Terahertz-Technologie soll die Entste-hung von Zyklotronresonanzen nach nicht-adiabatischer optischer Anregung erforscht werden. Abrup-tes Schalten ultrastarker Licht-Materie-Kopplung führt theoretischen Voraussagen nach zur Abstrah-lung korrelierter Photonpaare aus dem Quantenvakuum, ähnlich der Unruh-Hawking-Strahlung schwarzer Löcher oder dem dynamischen Casimir-Effekt. Die Kombination quasi-instantaner Kontrolle mit extremen Kopplungsstärken bietet ideale Voraussetzungen für diese Experimente.(iii) Eine neuartige Terahertz-Hochfeldquelle schließlich erlaubt uns, die nichtlineare Antwort ge-quetschter Quantenvakua erstmals zu untersuchen. Die nicht äquidistante Folge von Landauniveaus in Graphen verspricht eine fundamental andere Antwort als der harmonische Landaufächer von Halb-leiterquantenfilmen.Unser Vorhaben wird die Tür zu einer neuen Klasse ultrastarker Licht-Materie-Wechselwirkung, Quan-tenkinetik und nichtadiabatischer Quantenelektrodynamik aufstoßen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Christoph Lange, bis 2/2021