Theorie funktionaler photonischer Strukturen

Im Rahmen dieses Projekts wurde am Fachbereich Physik der Universität Paderborn eine neue Professur "Theorie funktionaler photonischer Strukturen" eingerichtet. Die Forschungsaktivitäten der neuen Gruppe liegen im Bereich der theoretischen Physik der kondensierten Materie und der Optik und ergänzen und verstärken den universitären Forschungsschwerpunkt "Optoelektronik & Photonik" weiter. Die lokalen Aktivitäten in diesem Bereich werden unter dem Dach der zentralen Forschungseinrichtung Center for Optoelectronics and Photonics Paderborn (CeOPP) koordiniert. Neben dem vorliegenden Projekt wurde und wird die Forschung der Gruppe durch den Sonderforschungsbereich TRR142 "Maßgeschneiderte nichtlineare Photonik" und das Graduiertenkolleg GRK1464 sowie durch weitere Einzelprojektförderungen und das Paderborn Center for Parallel Computing (PC2 ) unterstützt. Gegenwärtig verfolgt die Gruppe ein relativ breites Forschungsprogramm mit zahlreichen fruchtbaren lokalen, nationalen und internationalen Kooperationen. Schwerpunkte der aktuellen Heisenberg-Förderung sind (i) Ein- und Zwei-Photonen-Anregungen in Halbleiter-Quantenpunkten, (ii) nichtlineare Polaritonenphysik in Halbleiter-Mikrokavitäten und (iii) Photoanregungen und Anregungsdynamik in organischen Halbleitern und konjugierten Molekülen. Einen allgemeinen Überblick über die im Laufe des Projekts durchgeführten Arbeiten, einschließlich einiger Forschungshöhepunkte, bietet die Auswahl der Zeitschriftenveröffentlichungen [P01-P10]. Zusätzlich zu den veröffentlichten Zeitschriftenartikeln wurden im Rahmen des Projekts zahlreiche BSc- und MSc-Abschlussarbeiten erfolgreich abgeschlossen und fünf Doktorarbeiten im Laufe des Projekts angefertigt. Im vorliegenden Projekt haben wir zum einen Licht als Untersuchungsinstrument eingesetzt, um die komplexe grundlegende Physik und die optischen Eigenschaften verschiedener (Halbleiter-)Nanostrukturen zu verstehen. Während im linearen optischen Regime die Reaktion der Systeme nur passiv beobachtet oder mit Licht untersucht wird, hängt im nichtlinearen optischen Regime die Reaktion im Allgemeinen von der optischen Anregung ab. Folglich kann im letzteren Fall die Reaktion des ultraschnellen optischen Systems aktiv spektroskopisch untersucht werden, und spezifische Fragen können systematisch angegangen und beantwortet werden, indem Anregungsparameter wie Laserpulsfrequenz, Intensität, Pulsdauer und Verzögerungen variiert werden. In Verbindung mit den (vereinfachten) theoretischen Modellen, die im Rahmen dieses Projekts entwickelt und angewandt wurden, lässt sich so ein detailliertes Verständnis der mikroskopischen Mechanismen gewinnen, die dem Systemverhalten zugrunde liegen. Ein weiterer wichtiger Aspekt des vorliegenden Projekts war die Erforschung neuartiger aktiver optischer Ansätze zur effizienten Steuerung von Licht mit Licht, z. B. bei volloptischen Schaltvorgängen, bei denen ein Lichtsignal durch ein anderes Lichtsignal manipuliert und z. B. in seiner Amplitude, in seiner Ausbreitungsrichtung oder in seinem Polarisationszustand verändert wird. In diesem Zusammenhang diente Licht nicht nur als Sonde, um die grundlegenden Eigenschaften nanostrukturierter Materialien besser zu verstehen, sondern wurde im vorliegenden Projekt auch genutzt, um neuartige Ansätze in der rein optischen Informationsverarbeitung in Systemen und Parameterbereichen zu nutzen, in denen die optische Antwort durch optische Nichtlinearitäten dominiert wird. Im Laufe dieses Projekts haben wir verschiedene theoretische Ansätze abgeleitet, untersucht, implementiert und angewendet, um die mikroskopische Vielteilchenphysik in komplexen optisch angeregten Nanostrukturen in photonischer Umgebung mit ihrem makroskopischen Verhalten in Beziehung zu setzen. Zu den verwendeten theoretischen Ansätzen und Methoden gehören Vielteilchen-Dichtematrixtheorien in verschiedenen Näherungen, Methoden der elektronischen Struktur einschließlich Dichtefunktionaltheorie (DFT), zeitabhängige DFT, auf Wellenfunktionen basierende Methoden und nicht-adiabatische ab-inito-Molekulardynamik. Viele unserer theoretischen Studien wurden in enger Zusammenarbeit mit unseren experimentellen Partnern durchgeführt. Die Projektergebnisse reichen von grundlegenden physikalischen Aspekten bis hin zur Realisierung neuartiger anwendungsorientierter Strukturen und Konzepte für funktionale und aktive optische Komponenten. Eine kleine Auswahl von Schlüsselergebnissen umfasst den Vorschlag für eine optisch kontrollierte und abstimmbare deterministische Halbleiter-Quantenpunktquelle für Einzelphotonen [P09], die Realisierung ultraschneller optischer Kontrolle und Schaltung eines optischen Bits in einer planaren Halbleiter-Nanostruktur [P01], die optische Kontrolle des optischen Spin-Hall-Effekts [P08] und detaillierte mikroskopische Einblicke in molekulare Dotierungsmechanismen [P02, P10] und ultraschnelle Anregungsenergieübertragung [P07] in organischen Halbleitern und Chromophoren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

A quantum dot single-photon source with on-the-fly all-optical polarization control and timed emission. Nature Communications, Vol. 6. 2015, Article number: 8473.

D. Heinze, D. Breddermann, A. Zrenner, and S. Schumacher

(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms9473)

How intermolecular geometrical disorder affects the doping of donor-acceptor conjugated copolymers. Nature Communications, Vol. 6. 2015, Article number: 6460.

D. Di Nuzzo, C. Fontanesi, R. Jones, S. Allard, U. Scherf, E. von Hauff, S. Schumacher, and E. Da Como

(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms7460)

Controlling the optical spin Hall effect with light. Applied Physics Letters, Vol. 110. 2017, Issue 6, 061108.

O. Lafont, M. H. Luk, P. Lewandowski, N. H. Kwong, P. T. Leung, E. Galopin, A. Lemaitre, J. Tignon, S. Schumacher, E. Baudin, and R. Binder

(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4975681)

Creation and manipulation of stable dark solitons and vortices in microcavity polariton condensates. Physical Review Letters, Vol. 118. 2017, Issue 15, 157401.

X. Ma, O. Egorov, and S. Schumacher

(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.157401)

Ultrafast electronic energy transfer in an orthogonal molecular dyad. Journal of Physical Chemistry Letters, Vol. 8. 2017, Issue 5, pp. 1086–1092.

C. Wiebeler, F. Plasser, G. J. Hedley, A. Ruseckas, I. D. W. Samuel, and S. Schumacher

(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b00089)

Microscopic theory of cavity-enhanced single-photon emission from optical two-photon Raman processes. Physical Review B, Vol. 97. 2018, Issue 12, 125303.

D. Breddermann, T. Praschan, D. Heinze, R. Binder, and S. Schumacher

(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.125303)

Vortex multistability and Bessel vortices in polariton condensates. Physical Review Letters, Vol. 121. 2018, Issue 22, 227404.

X. Ma and S. Schumacher

(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.227404)

Externally controlled Lotka Volterra dynamics in a linearly polarized polariton fluid. Physical Review E, Vol. 101. 2020, Issue 1, 012207.

M. Pukrop and S. Schumacher

(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevE.101.012207)

Molecular doping in few-molecule polymer-dopant complexes shows reduced Coulomb binding. Journal of Materials Chemistry C, Vol. 8, Issue 34, pp. 11929-11935.

C. Dong and S. Schumacher,

(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/D0TC02185G)

Realization of all-optical vortex switching in exciton-polariton condensates. Nature Communications, Vol. 11. 2020, Article number: 897.

X. Ma, B. Berger, M. Assmann, R. Driben, T. Meier, C. Schneider, S. Höfling, and S. Schumacher

(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-020-14702-5)