Forschungsthemen der AG Ding

Wir befassen uns mit Phänomenen, die aufgrund der Wechselwirkung von Licht mit Nanomaterialien entstehen. Untersuchungen zur Photon-Statistik der Emission dieser Materialien ist hierbei ein Schwerpunkt. Wir arbeiten mit einer Vielzahl an Materialien, angefangen von epitaktisch gewachsenen Quantenpunkten, über Kolloid-Quantenpunkte zu zweidimensionalen Materialien. Neben dem Entdecken der zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien in diesen Materialien sind wir daran interessiert, Einzelphotonenquellen für die Quanteninformationstechnologie zu entwickeln. Für deren Anwendung muss eine hohe Einzelphoton-Reinheit, Ununterscheidbarkeit und Helligkeit sichergestellt werden. Ein besonderer Fokus liegta auf der Entwicklung von epitaktischen Quantenpunkten für Anwendung in Quantentechnologien.    

Wir wachsen III/V Verbindungs-Halbleiter, insbesondere GaAs/AlGaAs Quantenpunkte (QP), mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE). Die Methode "In-situ Tröpfchenätzen und Nanoloch-Füllen" wird genutzt, um morphologisch symmetrische QP mit kleinen Exziton-Feinstrukturen zu wachsen, wodurch hohe Verschränlungsgrade der emittierten Photonen erreicht werden. Die Emissionswellenlänge reicht typischerweise von 700 nm bis 800 nm und ist einfach einstellbar durch das Verändern der Füllmenge der Nanolöcher. Dadurch kann die Kopplung zu anderen Quantensystemen untersucht werden wie z.B. Silizium-Fehlzentren oder Rubidium-Atome. Die hochreinen Wachstumsbedingungen in der MBE stellen sicher, dass die QP nur wenige Defekte aufweisen, resultierend in emittierten Photonen mit langen Kohärenzzeiten und hoher Ununterscheidbarkeit.

Halbleiter-Quantenpunkte sind die führende Kandidaten zur deterministischen Erzeugung polarisations-verschränkter Photonen. Im Zusammenspiel mit effizienten Quantenspeichern sind solche Quellen eine Schlüsselkomponente für einen sogenannten Quantenrepeater, der Quantenkommunikation über lange Distanzen ermöglichen soll. Die von uns entwickelten verschränkten Photonenquellen werden in den dazu notwendigen quantenoptischen Protokollen verwendet, wie z.B. im Verschränkungstausch (entanglement swapping) zwischen Photonenpaaren aus Halbleiter-Quantenpunkten. Des Weiteren untersuchen wir das Frequenz-Verstimmen der Quantenpunktemission zu Übergängen von Quantenspeichern.

Oft werden interessante physikalische Phänomene in Nanomaterialien dann aufgedeckt, wenn deren Eigenschaften durch externe Felder verstimmt werden. Magnetische, elektrische oder Verspannungsfelder ändern die intrinsischen Eigenschaften wie Symmetrie oder Bindungslänge und -winkel, und somit die elektronischen Zustände im Material. Unser Fokusliegt auf dem Verspannungs-Stimmen niedrig-dimensionaler Materialien wie Quantentöpfe, Quantenpunkte, zweidimensionale Materialien und mehr. Wir entwickeln neuartige Ansätze zur anisotropen und gezielten Verspannung basierend auf PMN-PT/Silizium Mikro-elektromechanischen Systemen. Diese Bauteile haben Basisflächen weniger hundert Mikrometer und ermöglichen das reversible Verstimmen der Verspannung in einer Ebene der untersuchten Nanomaterialien.

Halbleiter-Nanostrukturen reagieren sehr sensibel auf Veränderungen in ihrer Umgebung, was sie für metrologische Anwendungen interessant macht. Durch das Verändern ihrer Eigenschaften mittels externer elektrischer, magbetischer oder quantenoptischer Felder wollen wir die Messgenauigkeit existierender Seensor-Technologien erhöhen. Des Weiteren erforschen wir photonische Zustände die von unterschiedlichen Nanostrukturen emittiert werden, um optische Messungen jenseits der Standard-Quantengrenze zu erreichen.