Exziton-Photonen-Dynamik in Graphen

Ein EU-finanziertes Projekt untersucht die Physik der Wechselwirkung von Licht und Materie in zweischichtigem Graphen mit einer Bandlücke. Die Projektergebnisse werden den Weg für die Entwicklung bahnbrechender optoelektronischer Bauelementen ebnen.

Energie

Exzitonen – neutral Quasiteilchen, die in Halbleitern vorkommen – zeigen eine starke Kopplung mit Licht. Das Einbetten von zweischichtigem Graphen mit einer Bandlücke in optische Mikroresonatoren ermöglicht die Steuerung einer Wechselwirkung, die zu einem starken Kopplungsregime führen kann. Eine solche Wechselwirkung führt zur Bildung einer neuen Art von Quasiteilchen, die als Exzitonen-Polaritonen bezeichnet werden und bosonische halb Licht- und halb Materie-Quasiteilchen sind. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts BIGEXPO ("Bilayer graphene exciton polariton") wollten Wissenschaftler das Verständnis über die Kopplung von Doppelschicht-Graphen an das photonische Feld eines Mikroresonators verbessern. Auf Basis eines störungsfreien Ansatzes konzentrierte sich BIGEXPO auf die Erforschung der Phänomene, die stattfinden, wenn eine Dipol-Schicht, wie etwa eine Graphenlage, mit einem elektromagnetischen Feld in Wechselwirkung tritt. Die Ergebnisse wiesen darauf hin, dass der Purcell-Effekt ausfällt – gegen die Erwartung sinkt die spontane Emissionsrate in einem starken Kopplungsregime. Darüber hinaus kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass derzeitige Annäherungen an Photonenemissionen modifiziert werden müssen. Eine weitere Aufgabe bestand in der Entwicklung einer mikroskopischen Theorie zur Beschreibung der Kopplung zwischen Exzitonen in Doppelschicht-Graphen und Photonen. Die entwickelte Theorie sollte eine umfassende Beschreibung der zugrunde liegenden Physik der Wechselwirkung von Licht und Materie liefern. Die störungsfreie Natur der Kopplung sollte außergewöhnliche physikalische Effekte erklären können. BIGEXPO versuchte, das Wissen über die physikalischen Prozesse der Exzitonen-Photonen-Dynamik in Mikroresonatoren zu erweitern. Angesichts seines großen exzitonischen Dipolmoments könnte das Graphen-Mikroresonatorsystem die Grenzen der Forschung im Bereich Festkörperresonator-Quantenelektrodynamik ausdehnen. Das würde nicht nur die Beobachtung eines neuartigen, stark korrelierten Licht-Materie-Kopplungsregimes ermöglichen, sondern auch zu einer neuen Generation von supereffizienten optoelektronischen Bauelementen im Terahertz- und mittleren Infrarotbereich führen.

Schlüsselbegriffe

Graphen, Licht-Materie-Wechselwirkung, optoelektronisch, Graphen-Doppelschicht, Exziton, Polariton

Bilayer Graphene Exciton Polariton

Exziton-Photonen-Dynamik in Graphen

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