Forschungsschwerpunkte

Durch moderne Technik ist es heutzutage möglich, Strukturen im Größenbereich von wenigen Nanometern herzustellen, d.h. es passen tausende dieser Nano-Strukturen in den Durchmesser eines Haares. Für die Bewegung der Teilchen in diesen Strukturen ist eine billionstel Sekunde, also eine Pikosekunde, schon eine kleine Ewigkeit. Auf diesen extremen Skalen entstehen völlig neue Effekte im Vergleich zu dem, was wir aus unserem Alltag kennen, denn dort dominiert die Quantenphysik. Diese Effekte kann man mit Laserpulsen untersuchen und sogar die Dynamik in den Nanostrukturen steuern. Um sie zu verstehen, bedarf es einer theoretischen Beschreibung und Computer-gestützter Simulationen, was den Schwerpunkt unserer Arbeiten darstellt. Wir betrachten dabei sowohl Strukturen aus Halbleiter-Materialien, vor allem so genannte Quantenpunkte, als auch metallische Strukturen, die wie Antennen für sichtbares Licht wirken. Durch die Simulationen kann man vorhersagen, wie die Dynamik kontrolliert werden kann, was von entscheidender Bedeutung für Anwendungen im Bereich der Quanteninformationstechnologie ist.

Derzeit arbeiten wir an folgenden Projekten:

  • Ladungsträger-Dynamik in ultradünnen Halbleitern

    Heutzutage kann man Halbleiterschichten herstellen, die aus einer oder einigen wenigen Atomlagen bestehen. Beispiele dafür sind Graphen, das eine verschwindende Bandlücke hat, und die so genannten Übergangsmetalldichalcogenide (engl. transition metal dichalgogenides, TMDCs) mit einer endlichen Bandlücke. Diese Materialien sind quasi zweidimensional. In den TMDCs kann man durch Verformung das Potential für die Leitungselektronen so verändern, dass ein Potentialtopf entsteht. Bewegen sich nun Elektronen durch das Material, können sie in diesen Potentialtopf streuen, wobei sie ihre überschüssige Energie in Form von Phononen abgeben.

    Wir untersuchen, wie sich Elektronen in diesen neuartigen Halbleitermaterialien bewegen. Durch die kleinen Skalen ist eine quantenmechanische Beschreibung unabdingbar. Die Elektronen können wir als lokalisierte Wellenpakete beschreiben und zeigen, dass die Streuung lokal erfolgt. Dabei analysieren wir die räumlich und zeitlich aufgelöste Bewegung der Ladungsträger unter dem Einfluss verschiedener Wechselwirkungsmechanismen.

    Derzeitige Projekte (in Zusammenarbeit mit der AG Kuhn):

    • Räumlich und zeitlich aufgelöste Ladungsträger-Dynamik in TMDCs (Frank Lengers, Roberto Rosati)
  • Phonon-Effekte in optisch angeregten Halbleiter-Quantenpunkten

    Halbleiter-Quantenpunkte haben ein diskretes Energiespektrum, das sich durch die Form des Quantenpunktes beeinflussen lässt. Dies macht Quantenpunkte besonders geeignet, um Effekte der Halbleiter-Quantenoptik zu studieren. Dabei geht es um die Kontrolle der Quantenpunkte mit Lichtfeldern. Im Gegensatz zu Atomen sind die Quantenpunkte aber immer an Phononen gekoppelt, was zu störenden, aber auch zu interessanten neuen Phänomenen führen kann.

    Für uns sind gerade die Phonon-Effekte auf die optisch kontrollierte Dynamik im Quantenpunkt von Interesse. Mithilfe verschiedener analytischer und numerischer Methoden analysieren wir den Einfluss der Phononen auf die elektronische Dynamik im Quantenpunkt und die dazugehörigen optischen Signale. Auf der anderen Seite untersuchen wir auch die Eigenschaften der Phononen, die bei der optischen Anregung erzeugt werden. Dabei arbeiten wir eng mit der AG Kuhn zusammen bei den Themen Ladungsträgerdynamik in optisch angeregten Halbleiter-Quantenpunkten und Erzeugung von Phononen in Halbleiter-Nanostrukturen.

    Derzeitige Projekte (in Zusammenarbeit mit der AG Kuhn):

    • Modellierung nicht-linearer optischer Signale von Quantenpunkten (Magnus Molitor, Daniel Wigger: in Zusammenarbeit mit Jacek Kasprzak und seiner Gruppe aus Grenoble)
    • Phonon-Einfluss auf optisch angeregte Quantenpunkte (Sebastian Lüker: in Zusammenarbeit mit Timo Kaldewey und Richard Warburton von der Universität Basel)
    • Phonon kontrolliertes Lasing eines Quantenpunkt-Ensembles (Daniel Wigger: in Zusammenarbeit mit Thomas Czerniuk und Manfred Bayer von der TU Dortmund)
    • Optische Anregung von dunklen Exzitonen in Quantenpunkten (Sebastian Lüker)
    • Struktur von höher angeregten Zuständen in Quantenpunkten (Matthias Holtkemper)
  • Wechselwirkung von Nanostrukturen mit komplexen Lichtfeldern

    Ein Lichtstrahl wird oft durch eine ebene Welle beschrieben, in welcher die Wellenfronten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung räumlich homogen sind. Komplexe Lichtstrahlen hingegen zeichnen sich durch räumlich strukturierte Wellenfronten aus, was in einer komplexen Phasenbeziehung resultiert. Ein Beispiel für einen komplexen Lichtstrahl ist das so genannte Twisted Light, welches eine spiralförmige Wellenfront besitzt sowie eine Phasensingularität und damit eine verschwindende Intensität auf der Strahlachse. Ein Twisted-Light-Strahl besitzt ein zusätzliches Drehmoment, was beispielsweise in Kommunikationstechnologien ausgenutzt werden könnte, um Informationen zu kodieren. Trifft ein solcher Strahl auf Materie, können andere Prozesse angeregt werden als mit einer ebenen Welle. Wir untersuchen dabei einerseits die mathematische Formulierung der Licht-Materie-Wechselwirkung mit komplexen Lichtfeldern, und andererseits führen wir numerische Simulationen durch, um die Wechselwirkung von Twisted Light mit metallischen Nanostrukturen, die plasmonische Resonanzen zeigen, zu untersuchen.

    Derzeitige Projekte:

    • Wechselwirkung von komplexen Lichtfeldern mit plasmonischen Nanoantennen (Richard Kerber, in Zusammenarbeit mit Jamie Fitzgerald, Sang Soon Oh und Ortwin Hess vom Imperial College London, UK).

    • Theoretische Formulierung der Twisted Light-Materie-Wechselwirkung (in Zusammenarbeit mit Guillermo Quinteiro von der Universität Buenos Aires (Argentinien).

  • Kontrolle von Licht durch Nanostrukturen

    Durch nanostrukturierte Materialien ist es möglich, die Eigenschaften von Licht auf der Nanoskala zu kontrollieren und gezielt zu manipulieren. Ein Beispiel dafür sind photonische Kristalle, in denen eine periodische Struktur dazu führt, dass Licht einer bestimmten Wellenlänger sich nicht durch das Material bewegen kann. Durch absichtlich erzeugte Defekte kann man Licht in so genannten Cavitäten räumlich einschließen. Eine wichtige Fragestellung ist hierbei, wie man diese lokalisierten Mode mithilfe eines Quantenemitters anregt.

    Ein anderes Beispiel für die Kontrolle von Licht sind metallische Nanostrukturen, die plasmonische Resonanzen zeigen. Dadurch können Felder stark lokalisiert werden, z.B. zwischen zwei Nanostrukturen, und dadurch eine extrem erhöhte Intensität erzeugt werden. Dies führt zu einer besonders starken Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen dem Feld und einem Emitter, der am Ort der stärksten Überhöhung platziert wird.

    Zur Untersuchung dieser spannenden Strukturen benutzen wir numerische Methoden und greifen auch auf vorhandene Programpakete zurück. Unser Schwerpunkt liegt darauf, die Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala zu verstehen.

    Derzeitige Projekte:

    • Kopplung von Einzelemittern an Kavitäten in photonischen Kristallen (Jan Olthaus, in Zusammenarbeit mit der AG Schuck von der WWU Münster).
    • Verstärkung von Licht durch plasmonische Nanostrukturen (Richard Kerber).