Arbeitsgruppe Quantenoptik

Spin-Photon-Schnittstelle für einzelne Seltene-Erden-Ionen

Wir untersuchen das resonatorverstärkte optische Auslesen von einzelnen Seltene-Erden-Ionen [6].

Seltene-Erden-Ionen zeigen außergewöhnliche Quantenkohärenz sowohl bei optischen Übergängen als auch bei Spinzuständen. Sie sind deshalb ein vielversprechendes Materialsystem für quantenoptische Anwendungen von Quantenspeichern bis hin zu quantennichtlinearer Optik. Allerdings ist die Dipol-verbotene Natur der schmalbandigen Übergänge direkt mit extrem niedrigen Emissionsraten verknüpft, was die meisten Experimente auf makroskopische Ensembles einschränkt.
Wir wollen durch Ankopplung von einzelnen Ionen und kleinen Ensembles an eine optische Mikrokavität mit hoher Finesse einen effizienten Zugang erreichen. Durch den Purcell-Effekt lässt sich die Emissionsrate um mehrere Größenordnungen anheben, was die schwachen Übergänge aufhellt und ein effizientes Auslesen des Ionenzustands ermöglicht. Wir verwenden Mikrokavitäten, die auf Laser-bearbeiteten Glasfaserleitern als Spiegelsubstraten beruhen und die eine hohe Finesse mit einem geringen Modenquerschnitt und voller Abstimmbarkeit kombinieren.

Exziton-Polaritonen in zweidimensionalen Halbleitern

Wir untersuchen die starke Licht-Materie-Kopplung von Exzitonen in Übergangsmetall-Dichalkogeniden ("TMD") in frequenzabstimmbaren Mikroresonatoren [2][4].

In atomar dünnen TMD-Kristallen können Exzitonen mit großen Bindungsenergien und starker Licht-Materie-Wechselwirkung angeregt werden. In TMD-Monolagen kann es bei Ankopplung an optische Mikroresonatoren zu einer kohärenten Überlagerung von Exzitonen und Photonen in Form von Polariton-Quasiteilchen kommen, die bei Temperaturen bis zu Raumtemperatur beobachtet werden können. Wir untersuchen die zweidimensionale Natur dieser TMD-Polaritonen mit resonator-basierter hyperspektraler Bildgebung. In ausgedehnten WS₂-Monolagen erzeugen wir mittels einer Scanning Cavity lokal Polaritonen. Durch komplementäre Messungen können die lokalen Polaritoneneigenschaften mit extrinsischen und intrinsischen Effekten wie der Oszillatorstärke, Dissipation und Dephasierung gebracht werden. Wir untersuchen auch die Ankopplung von Polaritonen an Phononen und beobachten dabei eine Abweichung der Polaritonen-Population vom thermischen Gleichgewicht. Exziton-Polaritonen könnten beispielsweise für Laser mit einer geringen Laserschwelle Verwendung finden.

Resonatorverstärkte Partikelsensoren

Wir haben eine integrierte Mikrofluidik-Plattform mit einem Resonator hoher Güte für die Untersuchung einzelner Nanosysteme entwickelt.

Die direkte Detektion von markerfreien Nanosystemen bietet die Möglichkeit, die intrinsischen optischen Eigenschaften von Proben oder biomolekulare Dynamik und Wechselwirkungen ohne eine unerwünschte Veränderung des Systems zu untersuchen. Um die Empfindlichkeit zu erreichen, die man für die Untersuchung einzelner Nanosystem benötigt, nutzen wir die Signalverstärkung in einem Glasfaser-basierten Fabry-Perot-Resonator mit hoher Finesse (~10⁵), der in den Mikrofluidikkanal integriert ist. Dispersive Wechselwirkung zwischen der Probe und dem Resonatorlichtfeld erlaubt die Detektion der Anwesenheit und der Dynamik von individuellen Nanoobjekten. Der enge Fokus der Resonatormode (~1 µm) kann zum Einfangen individueller Teilchen zwischen den Glasfasern fernab von den Oberflächen nutzbar gemacht werden. Wir erwarten, dass sich im biokompatiblen Bereich niedriger Intensität ein Einfangen im sub-100nm-Bereich erreichen lässt.

Resonatorverstärkte Mikroskopie und -Spektroskopie

Wir entwickeln extrem empfindliche Abbildungs- und Detektionstechniken auf der Grundlage der Signalverstärkung in Mikroresonatoren und untersuchen damit die Absorptions- und Dispersionseigenschaften von Proben im nm-Bereich [1][11].

Eine Erhöhung der Empfindlichkeit der optischen Mikroskopie könnte den direkten Zugang zur Messung der optischen Eigenschaften einer großen Klasse von nanoskaligen Systemen auf Einzelteilchen-Niveau ermöglichen. Zur Steigerung der Empfindlichkeit entwickeln wir eine neuartige Abtast-Mikroskopie-Technik, die sich eine mehrfache Wechselwirkung des Testlichts mit dem Objekt zunutze macht. Hierzu wird die Probe in einer optischen Mikrokavität mit hoher Finesse platziert, was zu einer Signalverstärkung in der Größenordnung der Kavitäts-Finesse (10⁴-10⁵) führt. Eine Rasterabtastung der Probe durch die Kavitäts-Mode ermöglicht die Erstellung einer räumlichen Kartierung der Probenabsorption und der Dispersion von individuellen Nanopartikeln.
In ähnlicher Weise funktioniert ein von uns entwickeltes kavitätsverstärktes Ramanspektroskop, mit dem sich die Information über diesen molekularen Fingerabdruck räumlich kartieren lässt.

Resonatorverstärkte Einzelphotonenquellen

Wir untersuchen individuelle Farbzentren in Diamant und koppeln sie an Glasfaser-Resonatoren, um so effiziente Einzelphotonenquellen zu realisieren [3][7][8][9].

Farbzentren in Diamant stellen eine interessante Klasse von Festkörper-Quantenemittern dar, die auch unter Raumtemperaturbedingungen stabile Einzelphotonen-Emission zeigen. Der konventionelle Ansatz der Lichtaufsammlung, die konfokale Mikroskopie, erreicht nur eine geringe Sammeleffizienz; Emitter mit moderater Quantenausbeute oder breiten Emissionspektren begrenzen zusätzlich die Eignung für ihren Einsatz als Einzelphotonenquellen.
Wir wollen die Einzelphotonen-Emissions-Eigenschaften durch Ankopplung der Farbzentren an optische Mikroresonatoren verbessern. Mittels Purcell-Verstärkung kann eine gerichtete Emission in eine wohldefinierte Mode mit einer nahezu 100-prozentigen Quantenausbeute erreicht werden. Wir untersuchen z.B. Stickstoff-Fehlstellen- ("NV"), aber auch Silizium-Fehlstellen-Zentren ("SiV") in an Mikrokavitäten angekoppelte Nanodiamanten, um damit helle, effiziente und schmalbandige Einzelphotonenquellen zu verwirklichen.

Herstellung und Charakterisierung von Mikroresonatoren

Wir arbeiten kontinuierlich an der Verbesserung der Herstellung und der Charakterisierung unserer Glasfaser-basierten Fabry-Perot-Mikroresonatoren

Eine Richtung ist hierbei die Verbesserung des Laser-Bearbeitungsprozesses z.B. zur weiteren Miniaturisierung des Resonatorvolumens. Zur Charakterisierung der Profile in quasi-Echtzeit während der Herstellung haben wir ein Weißlicht-Interferometer-Mikroskop mit einer Profilhöhenauflösung im Angstrom-Bereich gebaut. Wir untersuchen des Weiteren auch die Auswirkungen der endlichen Abmessungen und der nichtsphärischen Geometrie der Spiegel auf die Eigenschaften der Resonatoren. Wir haben hierzu ein Modellierungsprogramm entwickelt, das an Hand der Spiegel-Profile das Verhalten und die Modenstruktur theoretisch beschreibt.