Forschung

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Unsere Forschung findet im Schnittfeld der Gebiete Quantenoptik, Festkörperphysik und Vielteilchentheorie statt. In der Grundlagenforschung zur Halbleiter-Quantenoptik finden gegenwärtig atemberaubende Experimente statt. So werden gezielt einzelne Photonen erzeugt, Quantenzustände des Lichtfeldes in Anregungszustände von Materie umgewandelt, und deren Dephasierung (der Verlust der Quanteninformation durch Vielteilchenwechselwirkungen) verfolgt. Auf dieser Grundlage sind völlig neue Formen der Informationsübertragung denkbar. Als Theoretiker arbeiten wir an einem quantenmechanischen Verständnis dieser Prozesse und an der Beschreibung entsprechender Experimente. Dabei forschen wir nicht nur auf dem Papier, sondern auch mit modernen Supercomputern wie Massiv-Parallelrechnern. Diese Rechnungen sind oft wie Experimente, da wir Nanostrukturen mit atomarer Auflösung simulieren oder bei der zeitlichen Dynamik von Nanolasern die mikroskopischen Wechselwirkungen berücksichtigen. Als Theoretiker haben wir das Privileg, dabei einzelne Prozesse oder Wechselwirkungen an- und auszuschalten oder verschiedene Näherungen zu testen, um so zu einem tieferen Verständnis der Physik zu kommen.

 

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Quantenoptik: Seit langem schon wird in der Atomphysik die Licht-Materie-Wechselwirkung untersucht. Die Entwicklung des Lasers hat den Beginn eines Gebietes eingeläutet, das oft als Quantenelektronik bezeichnet wird. Mit der Verfügbarkeit intensiver Lichtquellen begann die Entwicklung der nichtlinearen Optik, und seit man einzelne Atome in Fallen lokalisieren kann, werden auch neue nichtklassische Lichtquellen möglich, die z.B. einzelne Photonen oder verschränkte Photonpaare aussenden. In der Halbleiter-Quantenoptik werden Laser und Einzelphotonenquellen, aber auch spannende Effekte wie Superradianz mit Hilfe von Quantenpunkten oder ähnlichen "künstlichen Atomen" realisiert. Damit eröffnet sich eine Verbindung zwischen Grundlagenforschung und parktischen Bauelementen.

Festkörperphysik: In Halbleiter-Nanostrukturen werden die elektronischen Eigenschaften der Ladungsträger gezielt beeinflusst. So ist man z.B. bei der Herstellung von Lichtemittern nicht mehr an das Periodensystem der Elemente gebunden, sondern kann Eigenschaften maßschneidern. Allerdings erfordert das Design von Nanostrukturen die Anwendung von quantenmechanischen Methoden. So bauen wir als Theoretiker im Computer die Quantenpunkte aus einzelnen Gitterzellen nach, berücksichtigen die bindenden Orbitale sowie deren Überlapp zwischen benachbarten Atomen, und berechnen daraus die Bandstruktur bzw. die Energieniveaus der Ladungsträger. Ausgehend von den elektronischen Eigenschaften bestimmen wir die elementaren Wechselwirkungen und daraus die optischen Eigenschaften. Unsere Arbeiten bieten damit ein Bindeglied zwischen strukturellen Untersuchungen (z.B. mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie) und experimentellen Untersuchungen der optischen Eigenschaften (Spektroskopie). Typische Anwendungen sind z.B. Quantenpunkte für Einzelphotonenquellen oder ultraschnelle Laser zur optischen Datenübertragung.

Vielteilchentheorie: Das wechselwirkende System aus angeregten Elektronen, Photonen und Phononen bildet ein Vielteilchensystem, deren Wechselwirkungen wir mit quantenfeldtheoretischen Methoden beschreiben. Einen ersten Einblick hierzu vermitteln wir in der Vorlesung "Theoretische Festkörperphysik 1 und 2". Hier erhalten Sie auch eine Einführung in die Methode der Feynman-Diagramme und wie man damit arbeitet. Über Forschungsprojekte können Sie sich bei uns systematisch in verschiedenen Methoden der Quantenfeldtheorie und deren Anwendung einarbeiten. So setzen wir die sogenannte Schwinger-Keldysh-Technik ein, die eine Beschreibung von Vielteilchensystemen auch im Nichtgleichgewicht erlaubt. Damit können wir die dynamische Entwicklung der Vielteilchensysteme nach einer intensiven externen Anregung verfolgen. Speziell diese Arbeiten fallen in das Gebiet der Nichtgleichgewichts-Quantenkinetik. Wir benutzen diese Methoden um Wechselwirkungsprozesse der angeregten Ladungsträger und deren Einfluss auf die optischen Eigenschaften zu bestimmen. So spielen in Experimenten zur Quantenoptik mit Halbleitersystemen die Streuprozesse der Ladungsträger eine wichtige Rolle. Gleichzeitig schließt sich hier der Kreis in unseren Forschungsthemen.