Physik periodischer und quasi-periodischer Polaritonsysteme

Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist eines der meist untersuchten Themen der modernen Physik und Materialwissenschaften. Dies wird oft von der Zielsetzung der effektiven Kontrolle von Licht oder von Photonen getrieben, mit einer Vielzahl von unkonventionellen beobachteten Phänomenen. Ein gekoppelter Licht-Materie Zustand, der derzeit besonders intensiv untersucht wird, ist das Exziton-Polariton, ein Quasiteilchen, das sich aus Photon und Exziton zusammensetzt. Insbesondere in planaren Halbleitermikroresonatoren sind diese Polaritonen in den vergangenen Jahren besonders intensiv studiert worden, wobei ihr Potential für Anwendungen in rein optischen Schaltkreisen, niedrigschwelligen Lasern, zur Informationsverarbeitung und zur Kontrolle der Lichtausbreitung demonstriert wurde. In diesem Projekt werden wir die nichtlineare Polaritondynamik insbesondere im Hinblick auf folgende Themenfelder studieren: (i) Eindimensionale Gitter und Supergitter zum Einfangen der Polaritonen. Hier werden wir die Lokalisation und oszillierende Dynamik unter dem Einfluss der Nichtlinearität analysieren. (ii) Im Zweidimensionalen werden komplexere Gitterstrukturen realisiert werden mit verschiedenen photonischen Bandstrukturen. Insbesondere die Spin-Bahn Wechselwirkung und Imperfektionen im System werden im Hinblick auf Anderson Lokalisierung, antichiralen Moden, und topologischen Isolatoren untersucht werden. (iii) Mit der Untersuchung von Moiré Gittern, die derzeit in einer Vielzahl physikalischer System intensiv studiert werden, werden wir ein neues Konzept auf das nichtlineare nichtgleichgewichts-Polariton System übertragen und studieren. Umgekehrt wird dieses auch von großem Interesse für andere Disziplinen sein. Insgesamt fußt das Projekt auf einem interdisziplinären Mix der Vielteilchenphysik, Kondensationsphänomenen, Nichtgleichgewichtsphysik und nichtlinearer Optik. Mit dem komplexen Zusammenspiel von Nichtlinearität, Spin-Bahn Wechselwirkung, und Vielteilchen-Nichtgleichgewichtsphysik in (quasi-)periodischen Gittern, wird das Projekt das Feld der nichtlinearen Polaritonphysik signifikant erweitern und auch die Grundlage legen für neuartige Anwendungskonzepte in funktionalen photonischen Strukturen.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen

Antragsteller Dr. Xuekai Ma; Professor Dr. Stefan Schumacher