Ultrastarke Wechselwirkung von plasmonischen Metamaterialien und Photonen in einer eindimensionalen Terahertz-Kavität

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442393838

Die (Quanten-)Elektrodynamik in Lichtfeldresonatoren widmet sich der Untersuchung der starken Wechselwirkung von Materieanregungen mit Photonen im Resonator. Viele fundamentale Phänomene der Quantenphysik wie die Verschränkungen von Photonen und Schrödinger’s Katze wurden studiert und Ansätze zur Quanteninformationsverarbeitung herausgearbeitet. Während man ursprünglich mit Atomgasen arbeitete, wurden zur Kopplung bald verschiedene fermionische und bosonische Anregungen herangezogen, darunter Interband- und Intersubbandübergänge in Halbleiter-Quantenstrukturen, Spinanregungen in magnetischen Materialien, Landau-Übergänge zweidimensionaler Elektronengase im Magnetfeld und vibronische Anregungen in Polymeren. Wir konnten vor kurzem erstmals starke Licht-Materie-Wechselwirkung von Metaoberflächen, einer künstlichen Materialklasse, mit den Terahertz-Photonen in einem eindimensionalen photonischen Kristall nachweisen. Wir verwendeten plasmonische Metallstrukturen ähnlich denen, die aufgrund ihres Anwendungspotentials für chemische und biologische Sensoren sowie optische Filter und Modulatoren in der Literatur studiert worden sind. Wir fanden, dass ihre Einheitszellen aufgrund eines riesigen Dipolmoments intensiv mit den Photonen wechselwirken können, was zur Herausbildung von Plasmon-Photon-Polaritonen mit einer sehr starken Rabi-Aufspaltung zwischen oberem und unterem Polaritonzweig führt. Außerdem stellte sich heraus, dass die Terminologie der Quantenelektrodynamik anwendbar ist, obwohl es sich um ein klassisches elektrodynamisches System handelt. Darauf aufbauend verfolgen wir zwei Forschungsrichtungen. Zum einen geht es um ein vertieftes Verständnis und die weitere Erhöhung des Kopplungseffekts. Wir wollen verstehen, weshalb Babinet-komplementäre Metaoberflächen so unerwartet stark mit den Photonen der Kavität wechselwirken. Wir wollen dann die Kopplung „dunkler Atome“ mittels Wechselwirkungen zwischen den Einheitszellen studieren. Hinsichtlich der Erhöhung der Kopplungsstärke werden wir schließlich Fabry-Perot-Kavitäten untersuchen, die ein kleineres Modenvolumen der Fundamentalresonanz aufweisen als photonische Kristalle und daher eine stärkere Rabi-Aufspaltung der Polaritonzweige ermöglichen sollten. Damit wollen wir hoch in den Bereich der ultrastarken Kopplung vordringen. Die zweite Forschungsrichtung widmet sich der aktiven Kontrolle der Wechselwirkungsstärke. Die Literatur hat Wege aufgezeigt, wie sich die optischen Eigenschaften von Metaoberflächen mittels externer Kontrollparameter ändern lassen. Dies sollte in Kavitäten noch wesentlich ausgeprägter funktionieren. Wir werden zwei dieser Konzepte adaptieren und Metamaterialien aus Split-Ring-Resonatoren verwenden, bei denen sich die Eigenschaften einerseits durch eine an die Einheitszellen angelegte elektrische Spannung ändern lässt, andererseits durch die Einstrahlung und Absorption von Laserlicht. Ziel ist die Entwicklung einer technologischen Plattform für Anwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen