Willkommen bei der Forschungsgruppe Hybride Quantensysteme
Quantenemitter sind Objekte im Nanometerbereich, wie beispielsweise Moleküle oder Atome, die Licht absorbieren und wieder emittieren. Trotz ihrer geringen Größe lassen sie sich dank ihrer Fluoreszenzemission unter dem Mikroskop zuverlässig nachweisen. Darüber hinaus hängen ihre optischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Wellenlänge des emittierten Lichts, von ihrer unmittelbaren Umgebung ab: Temperatur, Druck und elektrische Felder verändern das Verhalten eines einzelnen Emitters messbar. Daher können sie als optische „Brücke“ dienen, die es ermöglicht, ihre Nano-Umgebung mithilfe von Licht zu untersuchen und zu beeinflussen.
In unserer Forschungsgruppe ›Hybride Quantensysteme‹ verwenden wir organische Farbstoffmoleküle als einzelne Quantenemitter. Wir betten sie in kristalline Feststoffe wie Anthracen und Naphthalin ein und kühlen sie auf kryogene Temperaturen ab. Unter diesen Bedingungen lässt sich ihre genaue Wellenlänge mit sehr hoher Präzision bestimmen, wodurch sie zu Präzisionssensoren ihrer Umgebung werden. Gleichzeitig ermöglicht uns ihre geringe Größe eine räumliche Auflösung im Nanometerbereich und übertrifft damit herkömmliche optische Methoden um den Faktor zehn bis hundert. Die Wechselwirkung zwischen dem Emitter und seiner Umgebung verläuft in beide Richtungen: Einerseits liefern die Emitter Informationen über ihre Umgebung; andererseits können sie selbst lokale Temperatur- oder Druckänderungen erzeugen, wenn sie mit Licht angeregt werden. Messung und Manipulation auf der Nanoskala sind miteinander verflochten. Wir untersuchen die Physik dieser Kopplung und nutzen sie, um Ansätze für neuartige Quantensysteme zu entwickeln.
Unsere Projekte
Hybride molekular-optomechanische Systeme
Quantenemitter lassen sich funktional verbessern, indem man sie an Anregungen in ihrer Umgebung koppelt. Solche Anregungen können eingeschlossene Schwallwellen sein, lokalisierte hochfrequente mechanische Schwingungen. Um diese Kopplung zu realisieren, stellen wir Nanokristalle her. Diese sind mit einzelnen organischen Farbstoffmolekülen dotiert, die als Quantenemitter dienen. Die durch lokalisierte Schwingungen in einem solchen System erzeugte Dehnung verzerrt die Moleküle und verändert ihre Übergangsfrequenzen. Es entsteht eine Art optomechanische Kopplung: Die Moleküle können als optische Schnittstelle für die lokalen hochfrequenten Schwingungen im Kristall fungieren. Aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik ist diese Kopplung bidirektional: Sie kann sowohl zum Nachweis als auch zur Anregung der mechanischen Schwingungen genutzt werden. Dies eröffnet zwei Möglichkeiten. Die mechanischen Moden können als gemeinsames Medium dienen, das mehrere Moleküle miteinander verbindet, oder als Quantenspeicher, der die Einsatzmöglichkeiten einzelner Moleküle als Bausteine der Quantentechnologie erweitert.
Wärmemessung im Nanobereich
Die Wärmeentwicklung und -ausbreitung bei niedrigen Temperaturen und im Nanometerbereich unterscheiden sich erheblich vom herkömmlichen Wärmetransport, da die Quanten- und Wellennatur der Wärmeträger, also der Phononen, berücksichtigt werden muss. Ein besseres Verständnis dieses Bereichs ist für die Entwicklung kryogener mikroskopischer optischer und Mikrowellenbauelemente wie supraleitender Qubits von Bedeutung, bei denen unkontrollierte Erwärmung häufig die Leistung einschränkt. Bislang war es nicht möglich, experimentell abzubilden, wie sich die Temperatur in diesem Bereich räumlich um eine punktförmige Wärmequelle verteilt. Um diese Lücke zu schließen, nutzen wir Moleküle sowohl als punktförmige Wärmequellen als auch als optische kryogene Temperatursensoren. Durch eine Kombination aus empfindlichen Messungen der optischen Intensität und subdiffraktiver Lokalisierung erreichen wir eine Temperaturempfindlichkeit im Millikelvin-Bereich und eine räumliche Auflösung im Nanometerbereich. So können wir die Temperatur sehr nahe an der Wärmequelle abbilden und Aufschluss über das Verhalten von Phononen unter diesen ungewöhnlichen Bedingungen gewinnen.
