TRR 142: Maßgeschneiderte nichtlineare Photonik: Von grundlegenden Konzepten zu funktionellen Strukturen

Das zentrale Ziel des SFB/Transregio 142 ist die Erforschung und Entwicklung einer zukünftiger nicht-linearen Photonik, die modernste technologische Möglichkeiten nutzt, um grundlegende Fragen zur Physik und zu Bauelementen basierend auf maßgeschneiderten Nichlinearitäten und originären Quanteneffkten zu erkunden. Unsere Forschung beruht auf maßgeschneiderten Festkörpersystemen und verbindet die Gebiete der Halbleiterphysik, der Nanooptik und der Quantenopitk. Dadurch eröfnnen sich neue Wege für die Weiterentwicklung lichtbasierter nichtlinerarer Technologien, insbesondere photonischer Quantentechnologien, sodass eine Brücke zwischen Grundlagenphysik und technischen Anwendungen geschlagen werden kann.Das Forschungsprogramm des SFB/Transregio 142 kombiniert die Schlüsselkompetenzen der Universität Paderborn in den Bereichen photonische Materialien, Festkörper-Technologie, Quantenoptik und Theorie mit denen der TU Dortmund in den Bereichen der nichtlinearen Spektroskopie und der Instrumentierung. Die Forschung ist fokussiert auf die gezielte Anpassung nichtlinearer Wechselwirkungen wie der Frequenzkonversion, der Kontrolle von Quantensystemen, der Lichtemission und Lichtausbreitung, sowie auf Nichtlinearitäten im Bereich einzelner Photonen. Die für das Forschungsvorhaben relevanten Materialien sind Halbleiter-Quantensysteme, photonische Strukturen und nanostrukturierte Metamaterialien, sowie Dünnschichtlithiumniobat, das für die Entwicklung integriert-optischer Quantenschaltkreise eingesetzt wird. Durch den Einsatz moderner Mikro- und Nanotechnologien werden neuartige Komponenten für künftige Informationstechnologien hergestellt, die auf Basis linearer Wechselwirkungen nicht realisierbar sind.Durch die gezielte und systematische Nutzung nichtlinearer Wechselwirkungen und des Quantencharakters unserer Systeme wird der SFB/Transregio 142 wesentlich zur künftigen Entwicklung der nichtlinearen Photonik, und insbesondere der Quantenphotonik, beitragen. Erklärtes Ziel ist es, ausgehend von grundlegenden physikalischen Untersuchungen, nichtlineare optische und quantenmechanische Effekte von der Grundlagenphysik bis hinein in den Anwendungsbereich zu bringen.

DFG-Verfahren Transregios

Laufende Projekte

A02 - Nichtlineare Spektroskopie von Halbleiter-Nanostrukturen mit Quantenlicht (Teilprojektleiter Akimov, Ilya; Meier, Torsten)

A04 - Nichtlineare Quantenprozesstomographie und Photonik mit Polaritonen in Mikrokavitäten (Teilprojektleiter Aßmann, Marc Alexander; Bayer, Manfred; Schumacher, Stefan)

A06 - Ultraschnelle Akustik zur Modulation von Lichtemission (Teilprojektleiter As, Donat Josef; Bayer, Manfred; Reuter, Dirk; Scherbakov, Ph.D., Alexey)

A08 - Nichtlineare Kopplung von Zwischenschicht-Exzitonen in van der Waals-Heterostrukturen an plasmonische und dielektrische Nanokavitäten (Teilprojektleiter Cinchetti, Mirko; Jöns, Klaus; Zentgraf, Thomas)

A09 - Erzeugung von Drei-Photonen-Zuständen mit On-Chip Pumplichtunterdrückung in topologischen Wellenleitern (Teilprojektleiter Brecht, Benjamin; Zentgraf, Thomas)

A10 - Nichtlinearitäten von atomar dünnen Übergangsmetall-Dichalkogeniden in starken Feldern (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Lange, Christoph; Meier, Torsten; Ruppert, Claudia)

A11 - Kontrolle Optischer-Harmonischer Erzeugung an Exzitonen durch elektrische Felder (Teilprojektleiter Gerstmann, Uwe; Yakovlev, Ph.D., Dmitri)

B06 - Ultraschnelle kohärente opto-elektronische Kontrolle eines photonischen Quantensystems (Teilprojektleiter Förstner, Jens; Jöns, Klaus; Reuter, Dirk)

B07 - Polaronen-Einfluss auf die optischen Eigenschaften von Lithiumniobat (Teilprojektleiter Bartley, Tim; Eigner, Christof;  Schmidt, Wolf Gero)

B08 - Subzyklennichtlinearitäten ultrastarker Licht-Materie-Kopplung (Teilprojektleiter Lange, Christoph; Reuter, Dirk)

B09 - Effiziente Erzeugung mit maßgeschneiderter optischer Phaselage der zweiten Harmonischen mittels Quasi-gebundener Zustände in GaAs Metaoberflächen (Teilprojektleiter Meier, Cedrik; Zentgraf, Thomas)

C07 - Hohlraum-verstärkte Parametrische Fluoreszenz mit zeitlicher Filterung unter Verwendung integrierter supraleitender Detektoren (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Bartley, Tim; Silberhorn, Christine)

C08 - Hybride Lithiumniobat-auf-Isolator basierte quantenphotonische integrierte Schaltungen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Jöns, Klaus; Reuter, Dirk; Silberhorn, Christine)

C09 - Ideale Erzeugung von Photonenpaaren für Verschränkungsaustausch bei Telekom Wellenlängen (Teilprojektleiter Jöns, Klaus; Reuter, Dirk; Schumacher, Stefan)

C10 - Erzeugung und Charakterisierung von Quantenlicht in nichtlinearen Systemen: Eine theoretische Analyse (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Sharapova, Polina; Sperling, Jan)

C11 - Kompakte Photonenpaar-Quelle mit ultraschnellen Modulatoren auf Basis von CMOS und LNOI (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Scheytt, Christoph; Silberhorn, Christine)

Z02 - Zentrale Aufgaben (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Silberhorn, Christine; Zrenner, Artur)

Abgeschlossene Projekte

A01 - Zwei-Photonen-Emission in Halbleitern großer Bandlücke (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Betz, Markus; Ruppert, Claudia)

A03 - Resonatorverstärkte zwei-Photonen-Physik mit Halbleiter-Quantenpunkten (Teilprojektleiter Reuter, Dirk; Schumacher, Stefan; Zrenner, Artur)

A05 - Plasmonische Nanoantennen verstärkte Licht Emission und Frequenz Konversion in dielektrischen und Halbleiter-Mikrostrukturen (Teilprojektleiter Förstner, Jens; Meier, Cedrik; Zentgraf, Thomas)

A07 - Stark nichtentartete stimulierte Zweiphotonen-Emission in Halbleitern (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Betz, Markus; Meier, Torsten; Ruppert, Claudia)

B01 - Nichtlineare Multi-Photon und Höhere-harmonische-Spektroskopie an ZnO-basierten Nanostrukturen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Meier, Cedrik; Rauls, Eva; Schmidt, Wolf Gero; Yakovlev, Ph.D., Dmitri)

B02 - Nichtlineare Optik und kohärente Intersubband-Physik von kubischen GaN/Al(Ga)N Heterostrukturen (Teilprojektleiter Akimov, Ilya; As, Donat Josef; Betz, Markus)

B03 - Einfluss von Punkt- und ausgedehnten Defekten auf die optischen und ferroelektrischen Eigenschaften von LiNbO3 (Teilprojektleiter Berth, Gerhard; Greulich-Weber, Siegmund; Sanna, Simone)

B04 - Ab initio-Theorie photonischer Materialien (Teilprojektleiter Gerstmann, Uwe; Schindlmayr, Arno; Schmidt, Wolf Gero)

B05 - Maßgeschneiderte KTP und LiNbO3 Wellenleiterstrukturen für rückwärtsgerichtete parametrische Fluoreszensprozesse (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Berth, Gerhard; Silberhorn, Christine)

C01 - Maßgeschneiderte Frequenzkonverter-Bauelemente (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Bayer, Manfred; Silberhorn, Christine)

C02 - Integrierte optische SU(1,1) Interferometer (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Meier, Torsten; Sharapova, Polina; Silberhorn, Christine)

C03 - Nichtlineare Optik in Quantenpunktmolekülen (Teilprojektleiter Förstner, Jens; Greilich, Alex)

C04 - Ultraschnelle elektrische Kontrolle optischer Polarisationen und Übergänge (Teilprojektleiter Förstner, Jens; Thiede, Andreas; Zrenner, Artur)

C05 - Nichtlineare optische Oberflächen basierend auf ZnO-plasmonischen Hybrid-Nanostrukturen (Teilprojektleiter Förstner, Jens; Meier, Cedrik; Zentgraf, Thomas)

C06 - Integrierte messungsinduzierte Nichtlinearitäten mit integrierten supraleitenden Detektoren (Teilprojektleiter Bartley, Tim; Meier, Torsten)

Z01 - Molekularstrahlepitaxie von maßgeschneiderten GaAs-basierten Heterostrukturen (Teilprojektleiter Reuter, Dirk)

Beteiligte Fachrichtungen Quantenoptik, Photonik, Festkörperphysik, Ultraschnelle Optoelektronik, Plasmonik, Photonische Materialien, Ultraschnelle nicht lineare Spektroskopie, Vielteilchentheorie, Theoretische Materialphysik, Nanophotonik, Nanostrukturen, Theoretische Optoelektronik und Photonik

Antragstellende Institution Universität Paderborn

Mitantragstellende Institution Technische Universität Dortmund

Sprecherinnen / Sprecher Professorin Dr. Christine Silberhorn, seit 1/2021; Professor Dr. Artur Zrenner, bis 12/2020