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Artikelaktionen

Projekte

AG Quantennanophotonik: Projekte

Laufende Projekte / Current Projects:


  • Untersuchung der Selbst-Modenkopplung in Halbleiterscheibenlasern (DFG) / Investigating Self-Mode-Locking in Semiconductor Disk Lasers
  • Manipulation and Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG) / Manipulation and Control of Coherent States in Exciton-Polariton Systems
  • Theoretische und experimentelle Untersuchungen optischer Eigenschaften von 2D-Heterostrukturen (DFG) / Theoretical and experimental study of optical properties of 2D material heterostructures
  • 2D-Materialien-erweiterte Halbleiternanophotonik und Quantentechnologien (DFG) / 2D-materials-enhanced semiconductor nanophotonics and quantum technologies
  • Chinesisch-Deutsche Kooperationsgruppe Functional Nano-Materials Sciences „FNMS-COOP“ (CDZ) / Sino-German Cooperation Group on Functional Nano-Materials Sciences

 

Mit freundlicher Unterstützung seitens / With generous support by the

 

  • der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) / German Research Foundation,

Deutsche Forschungsgemeinschaft: Emblem

  • des Schwerpunktprogramms der DFG: SPP 2244 / Priority Program,

DFG Schwerpunktprogramm SPP 2244: Emblem

  • des Heisenbergprogramms der DFG / Heisenberg Program,

Emblem des Heisenberg-Programms

  • der Rudolf-Kaiser-Stiftung im deutschen Stifterverband / Rudolf-Kaiser Foundation,

Emblem des Deutsches Stiftungszentrum

  • und des Chinesisch-Deutschen Zentrums für Wissenschaftsförderung (CDZ) / Sino-German Center for Research Promotion.

Chinesisch-Deutsches Zentrum für Wissenschaftsförderung: Emmblem

Untersuchung der Selbst-Modenkopplung in Halbleiterscheibenlasern (DFG)

Investigating Self-Mode-Locking in Semiconductor Disk Lasers (Research Projects)

Gepulste Halbleiterscheibenlaser ermöglichen die Entwicklung kompakter, kostengünstiger und robuster Femtosekundenlaser. Bisher wurde hierzu ein sättigbarer Absorber in den Resonatoraufbau implementiert, der das Modenkoppeln initiierte. Durch den in diesem Projekt genutzten Prozess der Selbstmodenkopplung von Halbleiterscheibenlasern entfällt die zusätzliche und kostenverursachende Herstellung eines sättigbaren Absorbers, der nur im angestrebten Wellenlängenbereich wirksam werden kann und die maximal mögliche Betriebsleistung darüber hinaus limitiert. Jedoch sind die Ursachen und Mechanismen, die zur Selbstmodenkopplung führen, zu entschlüsseln. Die auf nichtlinearen Effekten beruhende Selbstmodenkopplung wurde bereits für Halbleiterscheibenlaser mit Quantenfilm- oder Quantenpunkt-Verstärkungsmedium erfolgreich demonstriert, unter anderem durch das Projektteam gemeinsam mit Kooperationspartnern. Deshalb sollen laufende Forschungsvorhaben wichtige Untersuchungen am Lasersystem im erzielten Regime der Selbstmodenkopplung adressieren, die Rückschlüsse auf die verantwortlichen nichtlinearen Effekte im Halbleiterscheibenlaser erlauben und die Weiterentwicklung dieser Bauteile zu leistungsstarken, kosteneffizienten Ultrakurzpulslasern für die Forschung und für industrielle Anwendungen ermöglichen.

Anrege-Abfrage Experimente an der aktiven Region während des gepulsten Laserbetriebs können beispielsweise zeitaufgelöste Einblicke in die Dynamik des Verstärkungsmediums geben. Dies ist wichtig, um herauszufinden, inwieweit die Dynamik der Gewinnsättigung zu einem intensitätsabhängigen Brechungsindex führt, welcher Selbstphasenmodulation und Selbstfokussierung zur Folge hat.

Andere experimentelle Untersuchungen am Laserchip ermöglichen die direkte Messung des erwarteten Kerr-Linseneffektes. Wird eine intensitätsabhängige Linsenwirkung festgestellt, so können durch die eingesetzte optische Methodik Rückschlüsse auf den wirksamen nichtlinearen Brechungsindex gezogen werden.

Durch ergänzende Messungen kann zudem die Phaseninformation und der Charakter der gepulsten Emission untersucht und ein Hinweis auf den primären Mechanismus für die Modenkopplung erlangt werden. Ein erstmaliges und nachfolgend auch gereiftes Verständnis der tragenden Mechanismen sind für die Weiterentwicklung vertikalemittierender Laser mit externem Resonator, sogenannte VECSEL, für unterschiedliche spektrale Bereiche und zeitliche Pulslängen bei gleichzeitig hohen Ausgangsleistungen im Bereich mehrerer Watt bedeutsam. Erwartet werden von optimierten Bauteilen zukünftige Spitzenleistungen mit einigen Kilowatt und Pulsdauern von bis zu unter hundert Femtosekunden.

Insbesondere Dank des möglichen Wegfalls der sättigbaren Absorber im Resonatorsystem stehen schließlich durch Überwindung zuvor bestehender Limitationen Durchbrüche im Design kompakter, leistungsfähiger und kosteneffizienter VECSEL für Anwendungen wie die Multiphotonenmikroskopie, die Materialbearbeitung und die optische Spektroskopie bevor. Einen Rekord im Einzelphotonenfluß einer nichtklassischen Quantenpunktlichtquelle getrieben durch einen modengekoppelten Kurzpuls-VECSEL hält das Projektteam in Partnerschaft mit der AG Reitzenstein @TU Berlin.

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, Europa und den USA, u.a. mit VECSEL Gruppen an der Universität Stuttgart und in New Mexico.

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

  1. C. Kriso, A. Barua, O. Mohiuddin, C. Möller, A. Ruiz-Perez, W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2021): Signatures of a frequency-modulated comb in a VECSEL,
    Optica 8, 458–463 (https://doi.org/10.1364/OPTICA.418061 OpenAccess).
  2. C. Kriso, T. Bergmeier, N. Giannini, A. Albrecht, M. Sheik-Bahae, S. Benis, S. Faryadras, E. Van Stryland, D. Hagan, M. Koch, G. Mette, A. Rahimi-Iman (2021): Probing the ultrafast gain and refractive index dynamics of a VECSEL,
    Appl. Phys. Lett. 119(19), 191105 (https://doi.org/10.1063/5.0061346 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/2106.13664).
  3. A. Rahimi-Iman (2021): Self-Mode-Locked Semiconductor Disk Lasers, Book Chapter in Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers: VECSEL Technology and Applications, 2nd edition, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim,
    Print ISBN 978-3-527-41362-1, (https://www.wiley.com/en-be/9783527413621)
  4. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Grossmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler,W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2020): Wavelength and pump-power dependent nonlinear refraction and absorption in a semiconductor disk laser,
    Photonics Technology Letters 32(2), 85–88 (https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2957875).
  5. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Großmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler, W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2019): Microcavity-enhanced Kerr nonlinearity in a vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Opt. Express 27, 11914 (https://doi.org/10.1364/OE.27.011914 OpenAccess).
  6. H. Guoyu, C. Kriso, F. Zhang, M. Wichmann, W. Stolz, K. A. Fedorova, A. Rahimi-Iman (2019): Two-chip power-scalable THz-generating semiconductor disk laser,
    Optics Letters 44(16), 4000–4003 (https://doi.org/10.1364/OL.44.004000 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/2102.11406).
  7. R. Bek, M. Großmann, H. Kahle, M. Koch, A. Rahimi-Iman, M. Jetter, P. Michler (2017): Self-mode-locked AlGaInP-VECSEL,
    Appl. Phys. Lett. 111, 182105 (https://doi.org/10.1063/1.5010689)
  8. A. Rahimi-Iman, M. Gaafar, C. Möller, M. Vaupel, F. Zhang, D. Al-Nakdali, K.A. Fedorova, W.Stolz, E. U. Rafailov, M. Koch (2016): Self-mode-locked vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Proc. SPIE 9734, 97340M (https://doi.org/10.1117/12.2216469)
  9. A. Rahimi-Iman, M. Gaafar, D. Al Nakdali, C. Möller, F. Zhang, M. Wichmann, M. K. Shakfa, K. A. Fedorova, W. Stolz, E. U. Rafailov, M. Koch (2015): Recent Advances in the Field of Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers,
    Proc. SPIE 9349, 934906 (https://doi.org/10.1117/12.2079182)
  10. A. Schlehahn, M. Gaafar, M. Vaupel, M. Gschrey, P. Schnauber, J.-H. Schulze, S. Rodt, A. Strittmatter, W. Stolz, A. Rahimi-Iman, T. Heindel, M. Koch, S. Reitzenstein (2015): Single-photon emission at a rate of 143 MHz from a deterministic quantum-dot microlens triggered by a modelocked vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Appl. Phys. Lett. 107, 041105 (https://doi.org/10.1063/1.4927429).

Theoretische und experimentelle Untersuchungen optischer Eigenschaften von 2D-Heterostrukturen (DFG)

Theoretical and experimental study of optical properties of 2D material heterostructures (Research Projects)

Durch den immensen Einsatz lichtbasierter Technologien in unserer modernen Welt ist die Nachfrage nach leistungsfähigen und miniaturisierbaren neuen optischen Materialien stark gestiegen. Gleichzeitig erfährt die Optimierung optischer Bauteile in Bezug auf Energie- und Kosteneffizienz große Beachtung. Niedrigdimensionale Materialien besitzen einzigartige Vorteile gegenüber ihren makroskopischen Gegenstücken und versprechen die Entwicklung von innovativen Technologien der nächsten Generation.

2D-Materialien

Eine entscheidende Chance mit Blick auf die (Nano-)Photonik bieten sogenannte 2D-Materialien. Diese liefern hauchdünne Schichtkristalle, die als einzelne Lage, als „Monolage“, oftmals weniger als 1 nm hoch sind. Beeindruckend simpel können diese von millimeter-großen Kristallen mechanisch abgetrennt sowie auf diversen Oberflächen isoliert und unter dem Mikroskop betrachtet werden. Darüber hinaus ist das monolagengenaue Wachstum diverser 2D-Materialsysteme von Expertengruppen weltweit etabliert worden.

Prominentes Beispiel ist Graphen, eine Monolage Graphit, dem rein kohlenstoffbasierten Material, dass von der herkömmlichen Bleistiftspitze alltäglich bekannt ist. Besondere Eigenschaften weisen geschichtete Materialien wie Graphit umso mehr auf, wenn sie als einzelne Lage isoliert vorliegen (beziehungsweise mit gleichartigen Schichten oder anderen 2D-Kristallen kombiniert werden, wie sich im letzten Jahrzehnt beeindruckend gezeigt hat). Um photonische oder optoelektronische Funktionalitäten solcher Nanomaterialien gezielt zu nutzen, werden rapide und stark expandierend seit Jahren auch Halbleiter dieser Materialfamilie untersucht, da diese geeignete Energiebandlücken für optische Ladungsträgerübergänge bereitstellen.

Gestapelte van-der-Waals Mischstrukturen

Insbesondere die Möglichkeit, 2D Materialien vertikal zu stapeln, bietet enormen Spielraum in Hinblick auf Heterostrukturierung und Energiebandlücken-Konfigurierung der Nanoschichten. Die etablierte Projektforschung widmet sich unter anderem der theoretischen und experimentellen Untersuchung optischer und optoelektronischer Eigenschaften von Monolagen, Bilagen und gestapelter Heterostrukturen der populärsten 2D Halbleiter (WS2, WSe2, MoS2, MoSe2) sowie noch etwas weniger im Rampenlicht stehender Telluride (MoTe2, oder auch GaTe) – gemeinsam mit Partnern weltweit.

Hierbei soll ein besseres Verständnis über diese Materialklasse der Übergangsmetalldichalkogenide (ÜMDs, engl. TMDs oder TMDCs abgekürzt) und deren mögliche Anwendungen erreicht werden, indem untersucht wird, wie/ob- Typ-II Heterostrukturen (z.B. von MoSe2/MoTe2, oder WSe2/WS2) die direkte Bandlücke der entsprechenden Monolagenbestandteile beibehalten und als vielversprechender Kandidat für Photovoltaikbauteilen und Photodetektoren durch den Einsatz von Grenzflächenexzitonen (räumlich indirekten Exzitonen) betrachtet werden können. Ebenso sei geprüft, ob Typ-I Heterostrukturen wie WSe2/MoTe2 als ideale Struktur für niedrigschwellige Laserdioden durch das Vorliegen direkter Exzitonen – sowohl direkt im Real- als auch Impulsraum –  eingestuft werden können.

Heterostrukturierung, die optoelektronische Eigenschaften von Monolagensystemen auf kontrollierbare Art verändert und vor allem bereichert, soll als Gegenstand der Projektforschung Anwendungen wie der Energiegewinnung und Lichterzeugung mit den biegsamen, nanometer-dünnen 2D-Materialien herangeführt werden. Auch spielt das 2D-Material 'hexagonales Bornitrid (h-BN)' aufgrund einzigartiger Eigenschaften und Funktionalitäten als besonderes 2D-Material alleine oder im Verbund mit den anderen 2D-Materialien eine entscheidende Rolle.

Das Verständnis, welche Rolle eine Gitterfehlanpassung beziehungsweise Verdrehung unter den Schichten eines Stapels sowie die dielektrische Umgebung beziehungsweise das eingesetzte Substrat spielt, ist maßgeblich für einen effektiven Einsatz und für die maßgeschneiderte Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften. Der optische Zugang und spektroskopische Methoden mögen bei der Einschätzung, Untersuchung sowie Nutzung dieser vielschichtigen Materialsysteme wertvolle Einblicke liefern.

Verlängerungsprojekt beantragt

Die Chance, 2D Materialien vertikal zu stapeln, bietet enorme Möglichkeiten in Hinblick auf Heterostrukturierung und Bandlückenkonfigurierung. Dies kommt nahezu ohne Einschränkungen in Hinblick auf Gitteranpassung, wenn die 3D Welt aus der 2D Ebene wiederbetreten wird. Jedoch können Verdrehungen einzelner Schichten zu einander, den sogenannten „Twists“, die die elektronische Kopplung zwischen den Nanoschichten ändern und sogenannte Moirémuster erzeugen, periodische Potentiallandschaften induzieren. Eine Richtung der Projektfortsetzung beabsichtigt, die optischen Eigenschaften von Monolagenheterostrukturen, in denen CVD-gewachsene und exfolierte Wolframdichalkogenide zum Einsatz kommen, auf ähnliche Weise wie die im Rahmen der überspannenden Projektziele untersuchten anderen Typ-I und Typ-II Übergangsmetalldichalkogenid (ÜMD) Heterostrukturen und Bilagensysteme zu erforschen.

Die Schlüsselmethoden, die in aktuellen Vorhaben zum Einsatz kommen, sind die optische Spektroskopie und die kontrollierte Herstellung von Van-der-Waals (VdW) Stapel in Umgebungsluft oder unter einer Schutzatmosphäre, gegebenenfalls durch einen Einschluss mit hexagonalem Bornitrid (hBN). Zur Charakterisierung der Exzitonmoden kommen zeitauflösende, zeitmittelnde oder winkelauflösende optische Spektroskopie ins Spiel, unterstützt durch Mikro-Ramanspektroskopie zur Analyse von Materialverspannungen und Schichteigenschaften.

Erfolgreich im Verbund forschen

Das Zuspiel seitens theoretisch und experimentell forschender Kooperationspartner möge hier die Beurteilung optoelektronischer Merkmale beziehungsweise Nanostruktureigenschaften unterstützen, welche später in Nachfolgeprojekten für photonische Bauteile basierend auf grenzflächigem Ladungstransfer und Heterostruktur-Moirézuständen genutzt werden können. Im Wesentlichen möchten wir mit unseren Projektarbeiten und als Teil des Schwerpunktprogramms SPP2244 verstehen, in wie fern/wie, kurzgefasst, ÜMD Heterostrukturen (aus Monolagen bestehend) durch den Verdrehungswinkel einstellbare optische Eigenschaften besitzen beziehungsweise Verbesserungen, Verschlechterungen oder sonstige relevante Veränderungen erfahren, welche auf mögliche Phasenraumfehlanpassung, elektronische Hybridisierung, induzierte Potentiallandschaften beziehungsweise Gitterrekonstruktionen zurückgeführt werden könnten.

Ein besseres Verständnis des Grenzflächensystems und des Ladungstransfers oder der Exziton-Eigenschaften kann beispielsweise für zukünftige Anwendungen mit photonisch-integrierten 2D-Nanomaterialien wichtig sein, wie die Photovoltaik, Lichtdetektion oder -Erzeugung. Es stellt wahrlich die Optimierung optischer Bauteile in Bezug auf Energie- und Kosteneffizienz mit speziell konzipierten niedrigdimensionalen Materialsystemen basierend auf extrem dünnen Schichten – sub-nanometer-hoher Kristallfilme – in Aussicht.

 

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, China und den U.S.A, u.a. im DFG Schwerpunktprogramm SPP2244 und in der Chinesisch-Deutschen FNMS-COOP Gruppe.

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

  1. S. Qin, K. Li, J.  Zhu, H. Xu, N. Ali, A. Rahimi-Iman, H. Wu (2021): A new strategy to improve the performance of MoS2-based 2D photodetector by synergism of colloidal CuInS2 quantum dots and surface plasma resonance of noble metal nanoparticles, Journal of Alloys and Compounds 856, 158179 (https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158179).
  2. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Optical dispersion of valley-hybridised coherent excitons with momentum-dependent valley polarization in monolayer semiconductor, 2D Materials 8, 015009 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/abb5eb OpenAccess).
  3. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Direct Measurement of the Radiative Pattern of Bright and Dark Excitons and Exciton Complexes in Encapsulated Tungsten Diselenide,
    Sci. Rep. 10, 8091 (https://doi.org/10.1038/s41598-020-64838-z OpenAccess).
  4. M. Shah, L. M. Schneider, A. Rahimi-Iman (2019): Observation of Intralayer and Interlayer Excitons in Monolayered WSe2/WS2 Heterostructure,
    Semiconductors 53, 96 (https://doi.org/10.1134/S1063782619120273).
  5. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2019): Shedding light on exciton’s nature in monolayer quantum material by optical dispersion measurements, Opt. Express 27, 37131 (https://doi.org/10.1364/OE.27.037131 OpenAccess).
  6. L. M. Schneider, J. Kuhnert, S. Schmitt,W. Heimbrodt, U. Huttner, L. Meckbach, T. Stroucken, S. W. Koch, S. Fu, X. Wang, K. Kang, E.-H. Yang, A. Rahimi-Iman (2019): Spin-Layer and Spin-Valley Locking in CVD-Grown AA’- and AB-Stacked Tungsten-Disulfide Bilayers, J. Phys. Chem. C 123, 21813 (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07213 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1905.02814).
  7. J. Kuhnert, A. Rahimi-Iman, W. Heimbrodt (2017): Magneto photoluminescence measurements of tungsten disulphide monolayers, J. Phys.: Cond. Matt. 29, 08LT02 (https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa55a9 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1609.09312).
  8. P. Lu, J. Lang, Z. Weng, A. Rahimi-Iman, H. Wu, (2017): Hybrid Structure of 2D Layered GaTe with Au Nanoparticles for Ultrasensitive Detection of Aromatic Molecules, ACS Applied Materials Interfaces 10, 1356–1362 (https://doi.org/10.1021/acsami.7b14121).
  9. S. Lippert, L. M. Schneider, D. Renaud, K. N. Kang, O. Ajayi, M. Halbich, O. M. Abdulmunem, X. Lin, J. Kuhnert, K. Hassoon, S. Edalati-Boostan, Y. D. Kim, W. Heimbrodt, E.-H. Yang, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2017): Influence of the Substrate Material on the Optical Properties of Tungsten Diselenide Monolayers,
    2D Materials 4, 025045 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa5b21 OpenAccess).
  10. R. Li, L. M. Schneider, W. Heimbrodt, H. Wu, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2016): Gate tuning of Förster Resonance Energy Transfer in a Graphene - Quantum Dot FET Photo-Detector, Scientific Reports 6, 28224 (https://doi.org/10.1038/srep28224 OpenAccess).

Manipulation und Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG)

Manipulation and Control of Coherent States in Exciton-Polariton Systems (MacExP) (Research Project)

Exziton-Polaritonen, teils Licht, teils Materie, können durch optische Pulse einerseits angeregt und andererseits manipuliert oder kontrolliert werden. Um diese Polaritonen effektiv und zielgerichtet untersuchen zu können, bedarf es sowohl der starken Licht-Materie Kopplung in optischen Mikrokavitäten mit eingebetteten elektronischen Quantenstrukturen als auch der (optischen) winkelaufgelösten Spektroskopie zur Abtastung des sogenannten Fourier-Raums (auch als Phasenraum oder „k-Raum“ bekannt).

Ihre hybride Natur verleiht Polaritonen spezifische Vorteile gegenüber anderen Quasiteilchen in Halbleiterkristallsystemen, sowohl im linearen als auch nichtlinearen Regime. Mit ihnen gelang unter anderem die Demonstration dynamischer Bose-Einstein-artiger Kondensate, auf deren Grundlage sowohl die Erforschung von neuartigen Quantenflüssigkeiten in Festkörpern als auch elektrisch betriebener Polariton-Laser ermöglicht wurde. Auch optisch/elektromagnetisch zugängliche beziehungsweise kontrollierbare Quantenbits (Qubits), oder Quantensimulatoren, könnten auf ihnen beruhen, was sie attraktiv für die photonische Quanteninformationsverarbeitung macht.

Quasiteilchen:

In Halbleitern ruft die starke Kopplung von Exzitonen und Photonen durch kohärente Überlagerung zwei neue Eigenmoden des Systems hervor, die zuvor benannten Exziton-Polaritonen – aufgrund der oft essentiellen Lichtfeldlokalisierung in mindestens einer Raumrichtung in geeigneten optischen Resonatoren auch als Kavitäts-Polaritonen bekannt. Das Entstehen dieser Quasiteilchen ist sowohl für die grundlegende als auch angewandte Forschung von Bedeutung. Mittels des Exzitonenanteils des gekoppelten Systems erfolgen starke Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen, während ihre hohe Mobilität in den übrigen "freien" Raumrichtungen auf die sehr niedrige effektive Masse und auf den photonischen Anteil zurückzuführen sind.

Basierend auf diesen (Quasi-)Teilchen – "quasi" wegen ihres Vorliegens im Wirtkristall im Gegensatz zu Teilchen des Vakuums – entwickelte sich das Forschungsfeld der Polaritonkondensation in den letzten zwei Jahrzehnten im Anschluss an die erstmalige Demonstration der Bose-Einstein-Kondensation verdünnter Gase bei extrem tiefen Temperaturen. Die Polaritonkondensation als größerer Durchbruch in Hinblick auf Quasiteilchen in Festkörpern führte zu einer weitreichenden Erforschung von kondensationsbezogener Phänomene und Phasenübergänge, wie die spontane Ausbildung von Kohärenz, Superfluidität und Supraleitung. Sogar der Einsatz von Qubits basierend auf Polariton-Rabi-Oszillationen wurde untersucht und neuartige Lichtquellen wie Polariton-Laser oder bosonische Terahertz-Laser konzipiert. Zudem sind Polaritongase und –kondensate in (künstlichen) periodischen (Mikro-)Strukturen für neuartige Bauteile mit topologisch-geschützten Funktionalitäten oder für wechselwirkungsfähige lichtgestützte Quantensimulatoren attraktiv geworden.

Wechselwirkung mit THz-Feldern:

In den letzten Jahren haben sich die Bemühungen zur experimentellen Verknüpfung von Polaritonsystemen mit transienten Feldern der THz-Strahlung verstärkt, damit die Wechselwirkungen von THz-Pulsen und Quantenfilm-Mikrokavitätssystemen für die Entwicklung neuartiger Bauteile nutzbar werden. Die laufende Projektforschung zielt darauf ab, darüberhinausgehend ein besseres Verständnis zu erlangen, wie die Wechselwirkung von THz-Strahlung und Polaritongasen die kohärenten Zustände sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Regime beeinflusst. Dies soll den Weg zu ultraschneller Manipulation und Kontrolle von Licht-Materie-Kopplung und die Entwicklung von zukünftigen THz-Erzeugungskonzepten auf Basis von Exziton-Polaritonen ebnen. Insbesondere steht hierbei die systematische Untersuchung THz-induzierter Effekte in verschiedenen Konfigurationen mittels Ultrakurzeit-Spektroskopieexperimenten und Mikrokavitätspolaritonen im Fokus der Projektforschung.

Die digitale „off-axis“ Holographie ermöglicht uns die direkte optische Messung von Rabi-Oszillationen mit sub-ps Zeitauflösung, weshalb die Effekte eines transienten THz-Pulses auf den kohärenten Energieaustausch zwischen Exziton und Photon untersucht werden können. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen gewähren zudem weitere Einblicke in die Dynamik von Polaritonkondensaten, wie beispielsweise hier unter Einfluss des elektrischen Feldes eines THz-Pulses. Somit kann die Wirkung von transienten elektrischen Feldern auf Polaritonkondensate, welche bereits als einzigartige Plattform für die Erforschung von Kondensationseffekten in Festkörpern anerkannt sind, von komplementären Blickwinkeln ermittelt werden.

In diesem Zusammenhang möchten wir die ultraschnelle optische Schaltung zwischen kondensierten und unkondensierten Polaritonen oder polaritonischer und photonischer Emission erproben, um das Verständnis von Phänomenen in Bezug auf THz-Exziton-Polariton Kopplung signifikant zu erweitern und die zukünftige Verwertung dieser Effekte in neuen optischen Quantentechnologien zu unterstützen.

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit dem Advanced Photonics Lab am Institute of Nanotechnology, CNR NANOTEC, Lecce, Italien.

(Seite in Bearbeitung)

 

2D-Materialien-erweiterte Halbleiternanophotonik und Quantentechnologien (DFG)

2D-materials-enhanced semiconductor nanophotonics and quantum technologies (Research Projects)

Die Halbleiterphotonik und Quantentechnologien der ersten sowie zweiten Generation haben einen großen Beitrag zur modernen wissenschaftlichen und industriellen Entwicklung der letzten Jahrzehnte geleistet. Darunter ermöglichten sie optische, elektronische und optoelektronische Werkzeuge und Bauteile, welche einen starken Einfluss auf den Alltag des Menschen und auf die Wechselwirkung mit der Natur haben, mit unter anderem weitreichender Wirkung in Bezug auf die Informationsverarbeitung, Kommunikation, industrielle Produktion sowie medizinische Anwendungen. Demzufolge ist ein erkennbarer Schwerpunkt aktueller Forschungsbemühungen global, den stetigen Fortschritt an der Wissenschafts- und Ingenieursfront zu gewährleisten.

Flüchtiger Blick in die Quantenwelt:

Die Untersuchung von Quantenstrukturen und das Verständnis von Quantenphänomenen, beziehungsweise ihr praktischer Einsatz, sind ein wesentlicher Bestandteil der zeitgemäßen Forschung in den zwei einleitend genannten Schlüsseldisziplinen.

Zum Beispiel sind quantisierte Zustände in Nanokristallen und sogenannten Quantenpunkten im Fokus der Entwicklung von Einzelphotonenquellen und verschränkter Photonenpaare. Andererseits gibt es exotische Materiezustände, darunter Bose-Einstein-Kondensate, Superfluide und Supraleiter, die als aufsehenerregende Quantenregime kondensierter Materie mit ihren (außergewöhnlichen) Teilchenkorrelationen / Quantenkohärenz neue Bauelemente wie kohärente Lichtquellen, widerstandslose Stromleiter / reibungsfreie Fluide (im Allgemeinen Medien mit verlustarmer Energieübertragung) oder die noch in vieler Hinsicht exotischen Quantenbits (für neuartige Computer) versprechen.

Viel (Spiel-)Raum im Nanokosmos:

Ebenso wichtig für die schnelle Entwicklung oben genannter Technologien ist die Entdeckung neuartiger (halbleitender) Materialien und ihr angemessener Einsatz, beispielsweise mithilfe speziell optimierter, photonischer oder optoelektronischer Bauteile und Nanostrukturen.

Die monolagengenaue Kristallepitaxie und nanoskalenpräzise Photo- bzw. Elektronenstrahl-Lithographie bieten in vielen Bereichen moderner Nano- und Quantentechnologien unverzichtbare Herstellungsmethoden, während Selbstorganisationsansätze oder andere ‚Bottom-Up‘-Methoden zur Herstellung von Nanopartikeln und Schichtsystemen neue Gestaltungsmöglichkeiten liefern, beispielsweise mit van-der-Waals Materialien, Kolloide, Dielektrika oder dünnen Molekülfilmen.

Da makroskopische Materialien als (funktionalisierte) Nano(hetero)strukturen oft besondere und nicht selten wohldefinierte (einstellbare) optische, elektronische oder vibronische Eigenschaften aufweisen, ist der Materialstruktur- und Niederdimensionalitätsaspekt für viele Nano- und Quantentechnologien sehr bedeutsam.

Zwischenfazit:

Deshalb ist insgesamt die interdisziplinäre Arbeit an der Schnittstelle zwischen der Quantenphysik, Nanotechnologie, Materialwissenschaft und Photonik unausweichlich, besonders in Hinblick auf das Fortbestehen technologischen Fortschritts und technologischer Unabhängigkeit.

Quantennanophotonik:

Die wesentlichen wissenschaftlichen Vorhaben im Themenfeld der Nanophotonik-, Laser- und Quantenoptik- beziehungsweise Quantenstruktur-Forschung in der AG Rahimi-Iman sind besonders auf die kooperativ verfolgten Zielen der FNMS-COOP Gruppe und Fragestellungen fortschreitender Forschungsprojekte abgestimmt. Die Projektarbeiten samt der vielfältig kombinierten Methodik ergänzen einander oder verknüpfen die im Detail unterschiedlich akzentuierten Explorationen synergetisch, zielführend und erkenntnisbringend. Der Einsatz über mehrere Jahre angeeigneter Kompetenzen und Forschungsmethoden sowie die Weiterbildung von Nachwuchskräften ermöglicht dabei eine nachhaltige und effiziente Entwicklung der wissenschaftlichen Aktivitäten und die Vermittlung von Fachkenntnissen, auch über den Forschungsraum hinaus.

Die Forschung dieser Arbeitsgruppe befasst sich dabei primär mit grundlegenden und anspruchsvollen Studien an optisch-aktiven Nanomaterialien, ‚valleytronischen‘ Materialien, photonischen Mikro- und Nanobauteilen sowie Quantenstruktursystemen für zukünftige Anwendungen wie die integrierte Photonik, nichtlineare Optik, nichtklassische/quantenmechanische Lichterzeugung und der Entwicklung beziehungsweise dem Einsatz von Lasern.

Unter anderem möchten wir spannende Untersuchungen an neuartigen 2D und quasi-2D Systemen mit eigenartigen Resonanzen oder Quantenemittern sowie an optischen Bauelementen mit interessanten Licht–Materie-Kopplungsszenarien durchführen. Unsere Forschung zu aktuellen Fragestellungen wird durch die Möglichkeiten des 3D-Nanodrucks, der Laserspektroskopie und der Anwendung des maschinellen Lernens im (Nano-)Photonikdesign verstärkt.

Die freie, selbständige, kreative und auf eigene Kapazitäten konzentrierte Arbeit in diesen wichtigen Themengebieten im Verbund mit lokalen und überregionalen Partnern ist besonders durch die Förderung der Grundlagenforschung seitens der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt, deren mehrfache Förderung die Heisenberg-Arbeitsgruppe genießt.

 

(Seite in Bearbeitung)

siehe auch Manipulation und Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG)

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, China und den U.S.A, u.a. im DFG Schwerpunktprogramm SPP2244 und in der Chinesisch-Deutschen FNMS-COOP Gruppe.

 

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

  1. O. Mey, A. Rahimi-Iman (2022): Machine Learning-Based Optimization of Chiral Photonic Nanostructures: Evolution- and Neural Network-Based Designs, Phys. Status Solidi RRL 2100571 (https://doi.org/10.1002/pssr.202100571 OpenAccess)
  2. A. Rahimi-Iman (2021): Semiconductor Photonics of Nanomaterials and Quantum Structures: Applications in Optoelectronics and Quantum Technologies, Series in Solid-State Sciences 196, Springer Nature, Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69351-0).
  3. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Optical dispersion of valley-hybridised coherent excitons with momentum-dependent valley polarization in monolayer semiconductor, 2D Materials 8, 015009 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/abb5eb OpenAccess).
  4. C. C. Palekar, A. Rahimi-Iman (2021): Tunable Polymer/Air-Bragg Optical Microcavity Configurations for Controllable Light–Matter Interaction Scenarios, Phys. Status Solidi RRL 15, 2100182 (https://doi.org/10.1002/pssr.202100182 OpenAccess).
  5. J. Zhu, H. Xu, Z. Wang, Y. Chen, S. Ma, N. Ali, H. Zhu, A. Rahimi-Iman, H. Wu (2020): Lateral photovoltaic mid-infrared detector with a two-dimensional electron gas at the heterojunction interface, Optica 7, 1394–1401 (https://doi.org/10.1364/OPTICA.398135)
  6. A. Rahimi-Iman (2020): Polariton Physics: From Dynamic Bose–Einstein Condensates in Strongly-Coupled Light–Matter Systems to Polariton Lasers, Springer Series in Optical Sciences 229, Springer Intern. Publ., Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-39333-5).
  7. F. Wall, O. Mey, L. M. Schneider, A. Rahimi-Iman (2020): Continuously-Tunable Light–Matter Coupling in Optical Microcavities with 2D Semiconductors,
    Sci. Rep. 10, 8303 (https://doi.org/10.1038/s41598-020-64909-1 OpenAccess).
  8. P. Qing, J. Gong, X. Lin, N. Yao, W. Shen, A. Rahimi-Iman, W. Fang, L. Tong (2019):
    A simple approach to fiber-based tunable microcavity with high coupling efficiency,
    Appl. Phys. Lett. 114, 021106 (https://doi.org/10.1063/1.5083011).
  9. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2019): Shedding light on exciton’s nature in monolayer quantum material by optical dispersion measurements, Opt. Express 27, 37131 (https://doi.org/10.1364/OE.27.037131 OpenAccess).
  10. O. Mey, F. Wall, L. M. Schneider, D. Günder, F. Walla, A. Soltani, H. Roskos, N. Yao, P. Qing, W. Fang, A. Rahimi-Iman (2019): Enhancement of the Monolayer WS2 Exciton Photoluminescence with a 2D-Material/Air/GaP In-Plane Microcavity, ACS Nano 13, 5259 (https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09659 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1812.10286).