Carbin für Optoelektronik und Optomechanik

• Antragsteller: Dr. Sebastian Heeg
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433878606

In diesem Forschungsprojekt soll Carbin, eine lineare Kette aus Kohlenstoffatomen im Inneren einer Kohlenstoffnanoröhre, als neues Materialsystem für die Erforschung molekularer Optomechanik realisiert und als Transistor auf atomarer Skala verwendet werden. Mein Ansatz beruht auf zwei einzigartigen Eigenschaften von Carbin, die sich direkt aus dessen atomarer Struktur ergeben. Carbin ist ein Peierlsmaterial und existiert sowohl in einer metallischen Phase, bei der die Atome über Doppelbindungen verbunden sind, als auch in einer halbleitenden Phase mit abwechselnden Dreifach- und Einfachbindungen. Mittels elektronischer Dotierung soll zwischen diesen Zuständen geschaltet werden. Nutzt man nun Carbin als Transistorkanal, wird der Stromfluss durch einen Phasenübergang des Materials selbst gesteuert. Dies ermöglicht einen Transistor mit dem kleinstmöglichen Querschnitt von einem Atom und unterscheidet sich radikal von herkömmlichen Architekturen, bei denen die Schaltung mittels Dotierung eines Halbleiters erreicht wird. Kürzlich veröffentlichte theoretische Arbeiten schlagen die Manipulation molekularer Schwingungen (Phononen) über die kohärente optomechanische Wechselwirkung eines Moleküls mit den starken Lichtfelder plasmonischer Strukturen vor. Dies überträgt das Konzept der optomechanischen Kopplung zwischen makroskopischen Resonatoren und Lichtfeldern auf die molekulare Ebene, und sagt millionenfach grössere optomechanische Kopplungsraten voraus. So sollen Phononen als Informationsträger und zur Erforschung quantenmechanischer Effekte genutzt werden. Bisherige experimentelle Realisierungen scheitern jedoch daran, dass die verwendeten Moleküle aufgrund der starken Lichtfelder dissoziieren. Dies wird hier mittels Carbin überwunden, ermöglicht durch dessen ausserordentlich grossen Ramanstreuquerschnitt, die Rate mit der Licht inelastisch an Gitterschwingungen (Phononen) gestreut wird. Mit Carbin wird das Regime der optomechanischen Kopplung bei deutlich schwächeren Lichtfeldern erreicht. Dies ermöglicht die Präparation von Phononpopulationen fernab des thermischen Gleichgewichts, und soll über die kohärente Emission von Phononen (Phononen Laser) und der Emission korrelierter Photonen demonstriert werden. Mein Projekt sieht zunächst vor, die Phononen- und Anregungsdynamik von Carbin und wie diese von der umgebenden Kohlenstoffröhre beeinflusst wird genau zu ergründen. Dies wird mittels spitzenverstärkter, temperatur- und wellenlängenabhängiger Ramanspektroskopie erreicht. Im Anschluss wird Carbin per Dielektrophorese in eine Transistorkonfiguration gebracht und auf gleiche Weise mit plasmonische Strukturen gekoppelt. Durch elektrische Transportmessungen wird die Funktionalität des angedachten Carbintransistors direkt nachgewiesen. Das geplante Projekt etabliert Carbin als neues Materialsystem für die molekulare Optomechanik und soll in Zukunft beispielsweise optomechanisch induzierte Frequenzumformung von Licht auf der molekularen Ebene ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Brasilien, China, Österreich
• Großgeräte: SPM Controller ; Spektrometer und CCD ; Tunable Laser
• Gerätegruppe: 1890 Optische Spektrometer (außer 180-186) ; 5091 Rasterkraft-Mikroskope ; 5700 Festkörper-Laser
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ado Jorio; Professor Dr. Thomas Pichler; Professor Dr. Lei Shi