Dr. Michael Kaniber
Technische Universität München
Walter Schottky Institut

Prof. Dr. Kai Müller
Technische Universität München
Walter Schottky Institut

Prof. Dr. Jelena Vuckovic
Stanford University
Ginzton Laboratory

Das Ziel dieses Projekts ist die Integration von niedrig-dimensionalen Halbleitern in nanoskalige metallische Systeme. Insbesondere untersuchen wir hierbei die Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen einzelnen, selbst-organisierten In(Ga)As/GaAs Quantenpunkten und stark lokalisierten elektromagnetischen Feldern in Gold ‚Bowtie’-Nanoantennen. Hierbei realisieren wir oberflächennahe Quantenpunkte mit niedriger Dichte mittels Molekularstrahlepitaxie und fabrizieren anschließend Antennen mit hoher Qualität mit Hilfe von Elektronenstrahllithographie. Fortschrittliche, optische Spektroskopie-Methoden werden benutzt um neue Erkenntnisse zu strahlenden und nichtstrahlenden Kopplungsmechanismen zwischen optisch aktiven, mesoskopischen Quantenemittern und nicht-beugungsbegrenzten Lichtfeldern zu erhalten. Weiterhin werden wir hierdurch das Potential derartiger hybrider Halbleiter-Metall-System für die Verwendung in Spin-Anwendungen erörtern. Darüber hinaus werden die metallischen Antennen zeitgleich als elektrische Kontakte benutzt, was zur weiteren Integration von nano-photonischen und -elektronischen Systemen führen wird.

Abschlussbericht:

Das Hauptziel dieses Projekts ist das Maßschneidern der Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen selbst-organisierten InAs/GaAs Quantenpunkten und lithographisch definierten plasmonischen Bowtie-Nanoantennen. Nanoantennen bilden eine Schlüsselkomponente, um Licht auf Nanometergroße Volumina zu fokussieren, wodurch eine stark modifizierte spontane Emissionsdynamik der gekoppelten Quantenpunkte ermöglicht wird. Um diese Ziele zu erreichen, wurde erfolgreich eine internationale Kooperation zwischen der Technischen Universität München und der Stanford University initiiert. Insbesondere haben wir im Rahmen dieser Zusammenarbeit Quantenpunkte mit überragenden optischen Eigenschaften entwickelt, welche es uns ermöglicht haben Licht mit neuartigen Quanteneigenschaften zu erzeugen [1]. Hierbei wurde zum ersten Mal nachgewiesen, dass ein resonant getriebener Quantenpunkt unter bestimmten, genau eingestellten Bedingungen Photonenpaare emittieren kann. Weiterhin konnten wir durch eigens entwickelte Simulationsmethoden ein neues Design für Chip-integrierte nicht-klassische Lichtquellen vorschlagen [2]. Außerdem wurden die von uns vorgeschlagenen Quantenpunkt-Antennen-Hybridsysteme realisiert und spektroskopisch untersucht, wobei eine Intensitätserhöhung um einen Faktor 16 und ein Purcell-Faktor von >3,4 beobachtet wurden [3, 4]. Kürzlich gelang mittels Einzelphoton-Korrelationsspektroskopie der eindeutige Nachweis, dass diese Hybridsysteme nicht-klassisches Lichtemittieren mit g⁽²⁾ (0)<0.5 [5]. Schließlich konnten wir erste elektrisch kontaktierte nano-plasmonische Antennen auf Halbleitersubstraten realisieren und charakterisieren, wodurch die Möglichkeit entsteht die Quantenpunktemission mittels des Stark-Effekts zu kontrollieren. Nächste Schritte umfassen die effiziente Erzeugung von einzelnen Photonen mittels resonanter Anregungsschemata, die Ausnutzung von feldverstärkten Nichtlinearitäten und die Untersuchung von optischen Übergängen, welche nicht durch elektrische Dipolnäherung beschrieben werden können.

Zitate:

[1] “Signatures of two-photon pulses from a quantum two-level system”, K.A. Fischer et al. Nature Physics doi:10.1038/nphys4052 (2017)

[2] “On-Chip Architecture for Self-Homodyned Nonclassical Light”, K.A. Fischer et al. Phys Rev. Applied 7, 044002 (2017)

[3] “Emission redistribution from a quantum dot-bowtie nanoantenna”, A. Regler et al. J. Nanophoton. 10(3), 033509 (2016)

[4] “Monolithically integrated single quantum dots coupled to bowtie nanoantennas”, A. A. Lyamkina et al. Opt. Exp. 24, 28936 (2016)

[5] A. Regler et al. “Non-classical light generation from antenna-coupled quantum dots”, in preparation (2017)