PhD in Physik Amr Farrag
Auf dem Weg zur ultraschnellen Detektion von Quantenemittoren mit hoher Wiederholungsrate
Das moderne Informationszeitalter basiert auf Technologien wie Telekommunikation, Kryptographie, Hochleistungscomputern und neuerdings auch künstlicher Intelligenz (KI). Das Herzstück all dieser Systeme sind elektronische Schaltungen, deren Leistung grundsätzlich durch die physikalische Geschwindigkeit von Elektronen begrenzt ist. Photonische Technologien hingegen basieren auf Lichtquanten - einzelnen Photonen -, die sich um Größenordnungen schneller ausbreiten und von sich aus eine höhere Bandbreite und verbesserte Sicherheit bieten. Die Ersetzung elektronischer Komponenten durch optische Gegenstücke verspricht große Fortschritte bei der Kommunikationsgeschwindigkeit, der Datenübertragung, der sicheren Informationsverarbeitung und der Quantentechnologie. Von zentraler Bedeutung für diese Entwicklungen sind ultrahelle Einzelphotonenquellen (SPS), darunter Quantenpunkte und Farbzentren in Festkörperhosts. Die hellsten SPS erfordern jedoch derzeit kryogene Temperaturen, was ihre Praxistauglichkeit in realen Anwendungen einschränkt.
In dieser Dissertation wird ein alternativer Weg zur Erzielung heller Einzelphotonenemission bei Raumtemperatur vorgeschlagen, indem eine Anregung mit hoher Wiederholrate genutzt wird. Dank der Fortschritte in der Lasertechnologie können Festkörperlaser jetzt mit Wiederholraten im Gigahertz-Bereich arbeiten. Durch die Kombination einer solchen Anregung mit hybriden Quantensystemen - bei denen ein Quantenemitter mit einer nanophotonischen Struktur gekoppelt ist, um seine Strahlungsemission durch den Purcell-Effekt zu verstärken - können ultrahelle SPSs im Prinzip bei Raumtemperatur realisiert werden. Bei diesen hohen Strahlungsraten wird die Fluoreszenzlebensdauer jedoch extrem kurz und liegt weit unter der zeitlichen Auflösung herkömmlicher Einzelphotonendetektoren, die zudem durch Kosten, kryogene Anforderungen, Sperrigkeit und begrenzte Synchronisationsmöglichkeiten bei Gigahertz-Raten eingeschränkt sind.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird in dieser Dissertation ein optisches Kerr-Gate (OKG) vorgestellt, das mit einer Wiederholrate von 1 GHz und einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer Picosekunde arbeitet. Das OKG ist ein nichtlinearer optischer Prozess dritter Ordnung (χ(3)), der keine Bedingungen für die Phasenanpassung erfordert und daher für die Breitband-Fluoreszenzdetektion geeignet ist. Das Kerr-Gating wurde mit zwei verschiedenen Kerr-Medien erreicht: BBS-Glas (Bismut-Borsilikat) und zweidimensionale dünne Graphitfilme. In beiden Fällen wurden OKG-Signale mit Gate-Pulsenergien im Sub-Nanojoule-Bereich erzeugt - bemerkenswert niedrig im Vergleich zu herkömmlichen OKG-Implementierungen, die auf verstärkte Pulse im Millijoule-Bereich angewiesen sind, die mehr als sechs Größenordnungen höher sind. Die erreichte zeitliche Auflösung betrug 175 ± 1 fs mit BBS-Glas (∼ 3 % Gate-Effizienz) und 141 ± 6 fs mit dünnen Graphitfilmen (∼ 10 % Effizienz). Diese kompakte Technik bei Raumtemperatur erfordert keinen Kryokühler, kein Vakuumsystem und keine sperrigen Verstärkungsstufen. Die demonstrierte OKG-Plattform kann direkt in ein standardmäßiges konfokales Fluoreszenzmikroskop integriert werden, was ultraschnelle Fluoreszenzmessungen von Quantenemittern ermöglicht und den Weg für praktische ultrahelle SPSs bei Raumtemperatur ebnet.
