Lokalisierung von Photonen auf atomare Längenskalen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt beschäftigte sich mit der Lokalisierung von Photonen auf atomaren Längenskalen für optische Mikroskopie und Quantenoptik, insbesondere um eine starke Licht- Materie-Kopplung unter Umgebungsbedingungen zu erreichen. Die Idee war, dass starke Kopplung durch eine Reduzierung des Modenvolumens, trotz der niedrigen Qualitätsfaktoren plasmonischer Resonatoren, erreicht werden könnte. Weiterhin sollte starke Kopplung in der Mikroskopie angewendet werden, indem die damit einhergehende spektrale Aufspaltung ausgenutzt wird, um einen Kontrastmechanismus in der Fluoreszenzmikroskopie zu erzeugen. Tatsächlich konnte im Laufe des Projekts eine der ersten Demonstrationen von starker Kopplung an einem einzelnen Quantenemitter unter Umgebungsbedingungen demonstriert werden, der nur eine Arbeit aus der Gruppe von J. Baumberg, Cambridge, vorrausging jedoch mit limitierter Evidenz für die gleiche Behauptung. In Folgeexperimenten haben wir einen charakteristischen Vorteil der starken Kopplung bei Raumtemperatur theoretisch untersucht, nämlich die Möglichkeit, mehrere nahezu degenerierte Niveaus innerhalb desselben Quantenpunkts stark an eine einzige plasmonische Mode zu koppeln. Dies erhöht die Kopplungsstärke ähnlich wie in einem superradianten System, behält aber die Quantennichtlinearität des Prozesses bei. Kürzlich konnten wir ein weiteres Experiment zu starker Kopplung mit einem einzelnen Emitter durchführen, das ein „anti-crossing“ von Licht- und Materieresonanzen zeigte, wodurch ein weiteres fehlendes Beweisstück hinzugefügt wurde. In Bezug auf Mikroskopie führten wir ein Experiment durch, bei dem wir einzelne Quantenpunkte verwendeten, die an Mikrotubuli in einem Gleitassay befestigt waren, um die lokalen Felder von plasmonischen Nanospalten zu untersuchen. In weiteren Experimenten nutzten wir die sich kontinuierlich verbessernde Fähigkeit zur Herstellung von Nanostrukturen auf der Basis von einkristallinen Goldflocken, um sowohl optische Nichtlinearitäten in asymmetrischen plasmonischen Nanoantennen zu erzeugen als auch photonische Schaltkreise die Photonen nach Helizität sortieren. Insgesamt lässt sich feststellen, dass die mit diesem Projekt verbundenen Arbeiten die Qualität von optischen Nanostrukturen tatsächlich bis an die Nähe atomarer Präzision gebracht, wodurch sich neue Möglichkeiten im Gebiet der Nano-Optik ergeben haben und ergeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Controlled Growth of High-Aspect-Ratio Single-Crystalline Gold Platelets. Crystal Growth & Design, 18(3), 1297-1302.
Krauss, Enno; Kullock, René; Wu, Xiaofei; Geisler, Peter; Lundt, Nils; Kamp, Martin & Hecht, Bert
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Near-field strong coupling of single quantum dots. Science Advances, 4(3).
Groß, Heiko; Hamm, Joachim M.; Tufarelli, Tommaso; Hess, Ortwin & Hecht, Bert
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Parallel mapping of optical near-field interactions by molecular motor-driven quantum dots. Nature Nanotechnology, 13(8), 691-695.
Groß, Heiko; Heil, Hannah S.; Ehrig, Jens; Schwarz, Friedrich W.; Hecht, Bert & Diez, Stefan
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Controlling Light-Matter Interaction between Localized Surface Plasmons and Quantum Emitters, PhD thesis (2019)
Groß, Heiko
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Nonclassical Optical Properties of Mesoscopic Gold. Physical Review Letters, 122(24).
Großmann, Swen; Friedrich, Daniel; Karolak, Michael; Kullock, René; Krauss, Enno; Emmerling, Monika; Sangiovanni, Giorgio & Hecht, Bert
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Driving plasmonic nanoantennas at perfect impedance matching using generalized coherent perfect absorption. Nanophotonics, 10(7), 1879-1887.
Grimm, Philipp; Razinskas, Gary; Huang, Jer-Shing & Hecht, Bert
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Single quantum emitter Dicke enhancement. Physical Review Research, 3(3).
Tufarelli, Tommaso; Friedrich, Daniel; Groß, Heiko; Hamm, Joachim; Hess, Ortwin & Hecht, Bert
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Anticrossing of a plasmonic nanoresonator mode and a single quantum dot at room temperature, arxiv.org/abs/2305.06909
Friedrich, D.; Qin, J.; Schurr, B.; Tufarelli, T.; Groß, H. & Hecht, Bert
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Controlling Field Asymmetry in Nanoscale Gaps for Second Harmonic Generation. Advanced Optical Materials, 11(21).
Meier, Jessica; Zurak, Luka; Locatelli, Andrea; Feichtner, Thorsten; Kullock, René & Hecht, Bert
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Direct electrical modulation of surface response in a single plasmonic nanoresonator, arxiv.org/abs/2307.01423
Zurak, L.; Wolff, C.; Meier, J.; Kullock, R.; Mortensen, N.A.; Hecht, B. & Feichtner, T.
