Dynamik einzelner Quantensysteme
Die Dynamik einzelner Quantensysteme ist für die Weiterentwicklung opto-elektronischer Bauteile reduzierter Dimensionalität (Einzelmolekül-Transistoren) mit abstimmbarer nichtlinearer elektro-optischer Antwort relevant. Diese Bauteile können z.B. für optische Computer eingesetzt werden. Ein besonderer Forschungsanreiz ist der Zugang zu Quanteneffekten bei Raumtemperatur, die in Ensemble-Messungen maskiert sind sowie die Überwindung der THz-Lücke der Signalverstärkung. Dazu untersuchen wir beispielsweise einzelne Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) im Spektralbereich des phononischen Seitenbandes.
Wir haben die kohärente zweidimensionale Fluoreszenz-Mikrospektroskopie entwickelt [1-2], um die räumlich-zeitliche Populationsentwicklung für ein einzelnes Quantensystem, mittels eines supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektors (SNSPD) erstmalig abzubilden (Abb. 1). Diese optisch hochaufgelöste Mikroskopie-Methode besitzt im Gegensatz zu transienter Absorption sowohl in den Anregungs- als auch in den Abfrageschritteschritten eine Frequenzauflösung.
Eine Abschlussarbeit kann viele Arbeitsbereiche umfassen. Hierzu gehören der Umgang mit Lasern und optischen Bauelementen. Dazu kommen, je nach Thema der Arbeit,
- Programmierung und Feinjustage des bestehenden Aufbaus (Fasereinkopplung)
- Pulsformung und Pulskomprimierung
- Fluoreszenzmikroskopie mit hoher Ortsauflösung
- Polarisationsabhängige Messungen (Anregung und Fluoreszenz)
- Nachweis einzelner Quantensysteme mittels Zweitphotonenkoinzidenzmessungen und Mandel-Q basierten Methode
- Korrelationsmessungen der systemeigenen zeitlichen Messunsicherheit (Jitter)
- Messung der Lebens- und Kohärenzzeit einzelner Quantensysteme
- Interferometrische Messung von Anregungsspektren einzelner Quantensysteme
- Zweidimensionale Spektroskopie an einzelnen Kohlenstoffnanoröhren
- Datenauswertung und Simulationen mit gängigen Programmen wie MatLab, Mathematica und LabVIEW
Kontakt:
Raphael Wichary, raphael.wichary@uni-wuerzburg.de
Literatur zur Übersicht:
[1] S. Goetz et al., Opt. Express 26, 3915-3925 (2018)
[2] M. Nuß et al., “Ultrafast non-linear 2D microspectroscopy reveals coherent phonon mediated intra- and intervalley exciton interaction in an individual SWCNT”, NT19: International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials, Wuerzburg, 21-26 July (2019)
Abgeschlossene Abschlussarbeiten
Das Thema deiner Abschlussarbeit in unserem Arbeitskreis wird immer anhand der aktuellen Forschungsarbeiten im Labor vergeben. Daher ist es nicht sinnvoll ständig neue, offene Themen hier auszuschreiben. Nimm einfach Kontakt mit uns auf! Um einen Eindruck über mögliche Abschlussarbeiten in diesem Projekt zu bekommen, werden dir im Folgenden eine Auswahl bereits abgeschlossener Arbeiten vorgestellt.
Bachelorarbeit
Pulsformung und Polarisationskontrolle mit fs-Laserpulsen im beugungslimitierten Fokus eines Fluoreszenzmikroskops
Diese Bachelorarbeit bestand daraus, den neuen Aufbau zur Messung von fluoreszenzbasierter nichtlinearer Spektroskopie einzelner Quantensysteme, hinsichtlich der Polarisationskontrolle in der Anregung zu optimieren und zu charakterisieren. Hierbei wurde eine vollautomatisierte Reihenschaltung zweier Wellenplatten zur vollständigen Polarisationskontrolle aufgebaut. Daraufhin wurde durch polarisationsabhängige Fluoreszenzmessungen von einzelnen SWCNTs deren Orientierung in der Ebene bestimmt (Abb. 2). Zusätzlich zur Polarisationsrichtung in xy-Ebene wurde eine z-Komponente des Polarisation nachgewiesen. Deshalb wurden die Ergebnisse unter Verwendung des Jones-Matrixformalismus simuliert und die Bestimmung der Ausrichtung einer Nanoröhre im Raum anhand eines 3D Models erweitert.
Masterarbeit
Ein Einzelphotonenaufbau für ultraschnelle und hocheffiziente nichtlineare quantenoptische Experimente
In diesem Projekt wurde das bestehende Setup um die Möglichkeit von Korrelationsmessungen, einem Hanbury-Brown-Twiss Experiment, ergänzt. Neben umfangreichen Programmierungen zur Automatisierung eines zuvor geplanten hocheffizienten Einzelphotonensetups für nichtlineare quantenoptische Experimente mit ultraschnellen Laserpulsen, wurde die g(2)-Messung für den Dauerstrich und gepulsten Messbetrieb implementiert. Mit einer g(2)-Messung kann man bestimmen, ob es sich um einen einzelnen Emitter im Fokus (z.b. Einzelmolekül) handelt, wenn der g(2)(0)-Wert <0.5 ist. Hierzu muss aber die Messunsicherheit der zeitlichen Korrelationsmessung zuvor bestimmt werden und der Jitter der Instrument-Antwortfunktion des gesamten Aufbaus mitberücksichtigt werden. Abbildung 3 zeigt die g(2)-Messung an (6,4)-SWNCTs.
