Innovationsfeld - Photonische Systeme zur Quantenkontrolle und Informationsverarbeitung

Mie-Void-Quantenmetaoberflächen mit 2D-TMDs als skalierbare Quantenplattform

In diesem Projekt kombinieren wir die maßgeschneiderten Eigenschaften zweidimensionaler Halbleiter (TMDs) mit nanoskaliger Lichtmanipulation basierend auf Mie Hohlraumresonatoren, um eine lineare und nichtlineare quantenphotonische Plattform für Quantenemitter zu realisieren. Die Kombination von maßgeschneiderten Emittern mit der Designfreiheit von optischen Resonanzen ermöglicht die Verstärkung der Licht-Materie-Wechselwirkung und die Manipulation und Steuerung der Emission mithilfe von Metaoberflächen, die aus Mie-Hohlraumresonatoren bestehen. Als ultimatives Ziel streben wir die Entwicklung einer fokussierten, mikroskaligen Hybridquelle für verschränkte Photonenpaare an. Die präzise Kenntnis der Probengeometrie erlaubt weiterhin die deterministische Bestrahlung des 2D-Materials mit fokussierten Ionenstrahlen. Dadurch können Defekte und somit lokalisierte Emitter im Material an der Stelle maximaler Mie-Hohlraumresonator-Feldverstärkung erzeugt werden. Unser System stellt einen Paradigmenwechsel hin zu deterministischen, großflächigen und industriell herstellbaren Quantenemittern dar, die bei Raumtemperatur oder bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen funktionieren. Unser System ist von Natur aus extrem kompakt (Größe unter 50 × 50 µm²) und gleichzeitig vollständig kompatibel mit CMOS-Prozessen. 

Visualisierung der vorgeschlagenen skalierbaren Quantenplattform: Der resonate Lichteinschluss in den Mie-Hohlraum-Resonatoren erlaubt den nahezu vollständigen Zugang zu den verstärkten Felder (rot). Durch die Anpassung der Geometrie lassen sich die verstärkten Felder präzise an der Grenzfläche positionieren und perfekt mit dem auf dem Substrat befindlichen 2D-Halbleiter überlappen. Diese Geometrie ermöglicht nicht nur die Verstärkung der Wechselwirkung des einfallenden Lichtfelds mit dem 2D-Material, sondern in einem zweiten Schritt auch die Formung und Manipulation der Rückstrahlung des Gesamtsystems.