Ultraschnelle und nicht-hermitsche Dynamik in spingesteuerten anisotropen Quantenpunkt-Mikropillarlasern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nils Christopher Gerhardt; Professor Dr. Stephan Reitzenstein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548332436

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer neuen Klasse ultraschneller Laser, die die Vorteile von Quantenpunkt-basierten Micropillar-Lasern mit der ultraschnellen Polarisationsdynamik in Spin-Lasern verbindet. Diese einzigartige Kombination ermöglicht uns neben der Adressierung fundamentaler Fragestellungen erstmals, Halbleiterlasern mit ultraschneller Modulationsdynamik im 250-GHz-Bereich und nicht-hermitschen Eigenschaften zu realisieren, gesteuert über Anisotropie und Ladungsträgerspin. Spin-Laser stellen dabei ein vielversprechendes neues Laserkonzept dar, mit der die Begrenzung der Intensitätsmodulationsbandbreite herkömmlicher Laser überwunden werden kann. Dazu wird die ultraschnelle und nichtlineare Dynamik des gekoppelten Spin-Systems in stark anisotropen Resonatoren ausgenutzt, welche in der Regel von der Intensitätsdynamik entkoppelt ist und selbst für niedrige Ladungsträgerdichten im Bereich der Laserschwelle Frequenzen von über 200 GHz erreichen kann. Darüber hinaus stellen anisotrope Spin-Laser einen neuen Vertreter nicht-hermitischer photonischen Bauelemente dar, die derzeit in der Grundlagenforschung im Zusammenhang mit Exceptional Points und Paritäts-Zeit-Symmetrie von großem Interesse sind. QD-Mikrolaser sind eine weitere hochinteressante Klasse Lasern an der Schnittstelle zwischen klassischer und Quantenphysik. Sie zeichnen sich durch hohe Kopplungsfaktoren für spontane Emission (ß) aus, so dass ihre Laserschwelle im Vergleich zu herkömmlichen Lasern um Größenordnungen reduziert werden kann. In Kombination mit der Verstärkungskopplung in QDs führt das zu komplexem dynamischen Emissionsverhalten in bimodalen Micropillar-Lasern. Tatsächlich konnten wir kürzlich erstmals nachweisen, dass die Polarisationsdynamik bimodaler Micropillar-Laser durch Spininjektion kontrolliert werden kann. Um unser Projektziel, eine neue Klasse von ultraschnellen Lasern zu entwickeln, zu erreichen, werden in diesem Projekt erstmals Micropillar-Lasers mit elliptisch geformten Resonatoren und kohärenter lateraler Kopplung entwickelt. Durch die Elliptizität der Mikropillars lässt sich die Modenaufspaltung und damit die Resonanzfrequenz der Polarisationsdynamik bei der Herstellung gezielt einstellen. Darüber hinaus bietet die laterale Modenkopplung zwischen zwei orthogonal ausgerichteten Micropillars großes Potenzial, um Geschwindigkeit, Effizienz und Robustheit der Spineffekte deutlich zu erhöhen. Wir profitieren dabei von der langjährigen und komplementären Expertise beider Partner in der Micropillar-Laser Herstellung (TU Berlin) und in der Entwicklung und Untersuchung von Spin-Lasern (RUB). Unser innovatives Spin-Mikrolaser-Konzept und unser herausfordernder Forschungsplan ermöglichen es uns, erstmals die Physik von lateral gekoppelten und Spin-kontrolliert Mikrolasern zu erforschen und ultraschnelle Spinlaser mit ausgeprägtem bimodalen Betrieb und ultraschnelle Polarisationsdynamik zu realisieren, effizient gesteuert durch den Spinzustand.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen