Theorie funktionaler photonischer Strukturen

Im Rahmen dieses Projekts wurde am Fachbereich Physik der Universit?t Paderborn eine neue Professur "Theorie funktionaler photonischer Strukturen" eingerichtet. Die Forschungsaktivit?ten der neuen Gruppe liegen im Bereich der theoretischen Physik der kondensierten Materie und der Optik und erg?nzen und verst?rken den universit?ren Forschungsschwerpunkt "Optoelektronik & Photonik" weiter. Die lokalen Aktivit?ten 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 "Ma?geschneiderte nichtlineare Photonik" und das Graduiertenkolleg GRK1464 sowie durch weitere Einzelprojektf?rderungen und das Paderborn Center for Parallel Computing (PC2 ) unterstützt. Gegenw?rtig verfolgt die Gruppe ein relativ breites Forschungsprogramm mit zahlreichen fruchtbaren lokalen, nationalen und internationalen Kooperationen. Schwerpunkte der aktuellen Heisenberg-F?rderung sind (i) Ein- und Zwei-Photonen-Anregungen in Halbleiter-Quantenpunkten, (ii) nichtlineare Polaritonenphysik in Halbleiter-Mikrokavit?ten und (iii) Photoanregungen und Anregungsdynamik in organischen Halbleitern und konjugierten Molekülen. Einen allgemeinen ?berblick über die im Laufe des Projekts durchgeführten Arbeiten, einschlie?lich einiger Forschungsh?hepunkte, bietet die Auswahl der Zeitschriftenver?ffentlichungen [P01-P10]. Zus?tzlich zu den ver?ffentlichten 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. W?hrend im linearen optischen Regime die Reaktion der Systeme nur passiv beobachtet oder mit Licht untersucht wird, h?ngt 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 k?nnen systematisch angegangen und beantwortet werden, indem Anregungsparameter wie Laserpulsfrequenz, Intensit?t, Pulsdauer und Verz?gerungen variiert werden. In Verbindung mit den (vereinfachten) theoretischen Modellen, die im Rahmen dieses Projekts entwickelt und angewandt wurden, l?sst sich so ein detailliertes Verst?ndnis der mikroskopischen Mechanismen gewinnen, die dem Systemverhalten zugrunde liegen. Ein weiterer wichtiger Aspekt des vorliegenden Projekts war die Erforschung neuartiger aktiver optischer Ans?tze zur effizienten Steuerung von Licht mit Licht, z. B. bei volloptischen Schaltvorg?ngen, bei denen ein Lichtsignal durch ein anderes Lichtsignal manipuliert und z. B. in seiner Amplitude, in seiner Ausbreitungsrichtung oder in seinem Polarisationszustand ver?ndert 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 Ans?tze in der rein optischen Informationsverarbeitung in Systemen und Parameterbereichen zu nutzen, in denen die optische Antwort durch optische Nichtlinearit?ten dominiert wird. Im Laufe dieses Projekts haben wir verschiedene theoretische Ans?tze 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 Ans?tzen und Methoden geh?ren Vielteilchen-Dichtematrixtheorien in verschiedenen N?herungen, Methoden der elektronischen Struktur einschlie?lich Dichtefunktionaltheorie (DFT), zeitabh?ngige 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

(360直播吧he 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

(360直播吧he 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

(360直播吧he 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

(360直播吧he 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

(360直播吧he 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

(360直播吧he 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

(360直播吧he 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

(360直播吧he 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,

(360直播吧he 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. H?fling, and S. Schumacher

(360直播吧he online unter https://doi.org/10.1038/s41467-020-14702-5)