Micro Cavities
Überblick
Micro-Cavities sind optische Strukturen, die entwickelt wurden, um Licht in winzigen Volumina einzufangen und zu manipulieren. Diese Strukturen spielen eine entscheidende Rolle in der Photonik und haben zahlreiche Anwendungen in der optischen Kommunikation, der Sensorik und der Quanteninformationsverarbeitung gefunden.
Ein besonderer Typ von Micro-Cavity verwendet hemisphärische Resonatoren. Ein hemisphärischer Resonator ist eine halbkugelförmige Struktur, die Licht in ihrem Inneren einfängt und es aufgrund von Totalreflexion an den Grenzflächen der Halbkugel über lange Strecken hinweg aufrechterhält. Dies führt zu stark erhöhten Lichtintensitäten in einem kleinen Volumen, was für viele Anwendungen von großem Interesse ist.
Aufbau
Im Gegensatz zu Faserresonatoren basiert dieses Experiment auf der Verwendung von zwei makroskopischen Spiegeln, was eine breitere Auswahl an Resonatorstrukturen und damit ein präzises Mode-Matching an Gauß-Optik erlaubt, um die Lichtführung und -koppelung zu optimieren. Die hemisphärischen (mikroskopischen) Strukturen werden ebenfalls an unserem CO2-Laser Experiment hergestellt und anschließend mit hochreflektiven Spiegeln beschichtet.
Integration von Farbdefekten in Diamant
Group IV Fehlstellen sind Defekte im Diamant, die in der Lage sind, Licht in einem breiten Spektralbereich zu absorbieren und zu emittieren. Diese Defekte sind in Materialien der Gruppe IV des Periodensystems zu finden, zu denen Silizium (Si) und Germanium (Ge) gehören. Group IV Fehlstellen sind aufgrund ihrer optischen Eigenschaften und ihrer Integration in etablierte Halbleitertechnologien von großem Interesse für die Entwicklung von photonischen Bauelementen.
Die Kombination von Micro-Cavities mit hemisphärischen Resonatoren und Group IV Fehlstellen ermöglicht die Erzeugung von stark lokalisierten, hochempfindlichen optischen Resonanzen in diesen Defekten. Hier sind einige der potenziellen Anwendungen und Vorteile dieser Kombination:
Anwendungen
- Quanteninformationsverarbeitung: Die hochintensiven Lichtfelder in den Resonatoren ermöglichen es, Einzelphotonenwechselwirkungen mit den Group IV Color Centern zu verstärken, was für die Entwicklung von Quantenbits (Qubits) und Quantenkommunikationssystemen von Bedeutung ist.
- Sensortechnik: Die stark erhöhte Licht-Material-Wechselwirkung in den Resonatoren kann zur Entwicklung von hochsensiblen Sensoren für verschiedene physikalische Parameter wie Temperatur, Druck oder chemische Zusammensetzung verwendet werden.
- Lichtquelle: Die Kombination von hemisphärischen Resonatoren und Group IV Color Centern kann als Lichtquelle für die optische Kommunikation oder die Spektroskopie dienen.
- Optische Verstärkung: Durch die Verstärkung des Lichts in den Resonatoren können optische Verstärker entwickelt werden, die in der Telekommunikation und der Signalverarbeitung eingesetzt werden können.
Aufgaben am Experiment
- Optisches Alignment und Handhabung von hochsensitiven mikroskopischen Resonatoren
- Design und Verbesserung von Optomechanik für höchste Stabilität bei hoher Verstellbarkeit
- Implementierung und Analyse von Farbdefekten in optische(n) Resonatoren
- Upgrades für Zugang zu Magnetfeldern, Mikrowellen und kryogenen Umgebungen
- Effizienzsteigerung des Systems durch geeignete Optiken basierend auf Simulation
- Programmierung von Software zur Ansteuerung und Analyse des Systems
Offene Stellen
Wir suchen aktuell Doktorand*innen, die zusammen mit unserem internationalen Team Micro-Cavity-Experimente zur Erforschung von Farbzentren in verschiedenen Materialien für Quantentechnologien aufbauen und verbessern möchten. Wir sind ebenfalls auf der Suche nach Bachelor- und Masterstudent*innen, die uns hierbei unterstützen. Bei Interesse oder Fragen kontaktieren Sie bitte Professor Kubanek.
Publikationen
G. Bayer, R. Berghaus, S. Sachero, A. B. Filipovski, L. Antoniuk, N. Lettner, R. Waltrich, M. Klotz, P. Maier, V. Agafonov und A. Kubanek. Optical driving, spin initialization and readout of single SiV− centers in a Fabry-Perot resonator. Communications Physics 6.1 (2023): 300.
F. Feuchtmayr, R. Berghaus, S. Sachero, G. Bayer, N. Lettner, R. Waltrich, P. Maier, V. Agafonov and A. Kubanek. Enhanced Spectral Density of a Single Germanium Vacancy Center in a Nanodiamond by Cavity-Integration. Applied Physics Letters 123.2 (2023)