Master- und Diplomarbeiten

In unserer Forschungsgruppe sind laufend Master- und Diplomarbeiten zu vergeben, in denen Sie im Rahmen aktuellster Forschungsprojekte eigene Themen bearbeiten können. Die Arbeiten beinhalten experimentelle Aspekte, bei denen Sie mit modernsten Geräten und Methoden Fragestellungen der Quantenphotonik untersuchen.

Sie werden weiters mit den theoretischen Aspekten der Modellierung quantenoptischer Phänomene und der Halbleiterphysik vertraut werden und sich insgesamt eine ausgezeichnete Basis für eine industrielle oder akademische Karriere erarbeiten. Melden Sie sich einfach per Email oder kommen Sie auf ein Gespräch mit uns vorbei (Gregor WeihsRobert Keil, Robert Chapman, Stefan Frick).  Hier eine Liste aktueller Themen: 

Stimmt die Bornsche Regel?

Three slit experiment - IQC

In einer Reihe von Experimenten beschäftigen wir uns mit der Frage, ob es Interferenzen höherer Ordnung geben könnte, also etwas, das über die Quantenmechanik hinausginge. Das wäre insbesondere der Fall, wenn die Bornsche Regel über die Messwahrscheinlichkeiten von quantenmechanischen Zuständen verletzt wäre. Ein anderer Fall wäre, wenn die Zustände nicht durch komplexe Zahlen sondern durch hyperkomplexe (z.B. Quaternionen) repräsentiert werden müssten.

In der Masterarbeit wäre zunächst die Temperatursensorik und Ansteuerung der Heizelemente für die Stabilisierung eines Glas-Wellenleiter-Interferometers zu verbessern und daraus resultierend, der abdeckbare Phasenraum und die Stabilität zu untersuchen. Dann sollten die genannten Tests (Sorkin-/Peresexperiment) mit Laserlicht gemacht werden. Je nachdem Fortschritt könnte noch am Design eines neuen Aufbaus mitgearbeitet werden. Für die Kalbrieriung der Messungen sind außerdem hochgenaue Messungen der Detektor-Nichtlinearität nötig.

  • T. Kauten, R. Keil, T. Kaufmann, B. Pressl, Č. Brukner, and G. Weihs, Obtaining tight bounds on higher-order interferences with a 5-path interferometer, New J. Phys. 19, 033017 (2017). http://doi.org/10.1088/1367-2630/aa5d982.
  • U. Sinha, C. Couteau, T. Jennewein, R. Laflamme, and G. Weihs, Ruling Out Multi-Order Interference in Quantum Mechanics, Science 329, 418 (2010). http://doi.org/10.1126/science.1190545 

Einzelphotonenerzeugung durch Polaritonblockade

Polariton Resonanz
Abbildung: Laserspektroskopie in Reflexion an einem
photonischen Doppel-Micropillar.

In unserer Arbeitsgruppe forschen wir an gemischten Licht-Materie Zuständen in Mikroresonatoren auf der Basis von III-V-Halbleitern mit dreidimensionalem photonischem Einschluss, sogenannte 'Polariton Micropillars' (1). Das Ziel wäre in diesem System die unkonventionelle Photonen Blockade zu messen (2). Dafür müssen wir Parameter wie Polarisationsaufspaltung in elliptischen Pillars oder Linienbreite und Blauverschiebung in Abhängigkeit von der Exziton-Photon Verstimmung so genau wie möglich messen. Mit Hilfe von Laserspektroskopie (Masterarbeit Kapitel 4.2) mit unserem verstimmbaren Diodenlaser könnten wir diese Parameter hochaufgelöst (>= 5Mhz) in unserem neuen Transmissionsaufbau messen. Die Masterarbeit würde dann folgende Aufgaben umfassen:

  • Einarbeitung in Polariton Physik, unseren Laser und das neue Transmissionssetup.
  • Systematische Messungen an mindestens einem Sample. Dafür muss das Setup auf maximale Transmission hin optimiert werden, und ein Aufbau zur Messung von Eingangs- und Ausgangleistung erstellt werden.
  1. Michaelis de Vasconcellos, S., et al. "Spatial, spectral, and polarization properties of coupled micropillar cavities." Applied Physics Letters10 (2011): 101103.
  2. Flayac, H., and V. Savona. "Unconventional photon blockade." Physical Review A5 (2017): 053810.

Kohärente Kontrolle einzelner Quantenpunkte

Quantenpunkte (1), dreidimensionale exzitonische Einschlüsse in Festkörpern, sind derzeit die besten Einzelphotonenquellen die es gibt. Die Forschung in unserer Gruppe konzentrierte sich bisweilen großteils auf die Erzeugung verschränkter Photonenpaare (2). In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass die Form der Anregungspulse große Auswirkungen auf die Qualität der erzeugten Einzelphotonen hat (3,4). Mit unserem neuen 25GHz Funktionsgenerator können wir in Faser-EOMs beliebige Pulsformen ab 20ps FWHM erzeugen und dann die Abhängigkeit der Pulsform auf die Qualität der Einzelphotonen zu untersuchen. Noch interessanter wäre das da die besten Einzelphotonenquellen zur Zeit den Purcell Effekt in Micropillars ausnutzen und wir mit unseren Nanowires (5) ähnliche Strukturen hier in Innsbruck haben. Da diese seit kurzem auch resonant angeregt werden können wären sie ein ideales Testobjekt um die Auswirkungen verschiedener Pulslängen, -Formen und Leistungen zu untersuchen. Die Masterarbeit würde dann folgende Aufgaben umfassen: Programmierung des neuen Funktionsgenerators und Oszilloskops in Matlab oder Phython. Charakterisierung des neuen Funktionsgenerators und Oszilloskops sowie der Fasermodulatoren und Messungen damit an Quantenpunkten.

  1. Senellart, Pascale, Glenn Solomon, and Andrew White. "High-performance semiconductor quantum-dot single-photon sources." Nature nanotechnology 12.11 (2017): 1026.
  2. Maximilian Prilmüller, Tobias Huber, Markus Müller, Peter Michler, Gregor Weihs, and Ana Predojević. "Hyperentanglement of Photons Emitted by a Quantum Dot" Phys. Rev. Lett. 121, 110503 (2018)
  3. Fischer, Kevin A., et al. "Signatures of two-photon pulses from a quantum two-level system." Nature Physics7 (2017): 649.
  4. Schweickert, Lucas, et al. "On-demand generation of background-free single photons from a solid-state source." Applied Physics Letters9 (2018): 093106.
  5. Huber, Tobias, et al. "Polarization entangled photons from quantum dots embedded in nanowires." Nano letters 14.12 (2014): 7107-7114

Fasergekoppeltes Wellenleiter Experiment

In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns mit der Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren mithilfe von parametrischer Fluoreszenz in Halbleiter Strukturen die als Bragg-Reflection Waveguides bezeichnet werden. Diese mikroskopischen on-chip Quantenlichtquellen könnten zukünftig zahlreichen Anwendungen im Bereich der Quantenkommunikation dienen. Im Moment wird Laserlicht über einen relativ großen und aufwändigen Aufbau in die Wellenleiter gekoppelt, wobei nur jeweils ein Wellenleiter untersucht werden kann. Thema dieser Masterarbeit wird es also sein einen zweiten experimentellen Aufbau zu erstellen, der dazu dient unsere Proben mithilfe von Glasfasern anzusteuern. Dadurch können nicht nur mehrere Wellenleiter gleichzeitig vermessen werden, wir erhoffen uns auch eine höhere Kopplungs-Effizienz. Es handelt sich außerdem um erste Schritte in Richtung der Integration unserer Proben in vollständig fasergekoppelte Systeme. Dazu wird es notwendig sein den aktuellen Aufbau zu verstehen, einen Neuen zu planen, die dafür nötigen Teile zu bestellen und das Experiment schließlich im Labor aufzubauen. Je nach Zeit sollen dann einige Proben mithilfe des Faser-Aufbaus vermessen und charakterisiert werden.

Richtungsverschränkte Photonenpaare auf einem Chip

Wellenleiter Laser

Wie bereits in der vorherigen Beschreibung erwähnt, beschäftigen wir uns mit der Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren in Bragg-Reflection Waveguides. Diese Halbleiterstrukturen befinden sich auf einem Mikrochip und erlauben die Integration weiterer Elemente. Ziel dieser Masterarbeit ist die Vermessung von passiven Elementen wie etwa zugespitzten Wellenleitern zur Verbesserung der Kopplungseffizienzen, Verzögerungslinien als Grundbaustein für zeitliche Verschränkung oder 50-50 Strahlteiler als zentrales Element für Polarisationsveschränkung. Dafür sollen diese zuerst am Computer simuliert werden, um dann ein passendes Design an unsere Partner an der Universität Würzburg schicken zu können. Nachdem unsere Kollegen die neue Probe angefertigt haben, gilt es diese in unserem experimentellen Aufbau zu charakterisieren. Je nach Beginn der Arbeit bietet es sich auch an eigene Proben aus dem Quanten-Nano-Zentrum-Tirol (Reinraum im ICT Gebäude) auszumessen.

Fertigung von Wellenleiter Chips im Quanten-Nano-Zentrum-Tirol

Wellenleiter Strahlteiler

Hand in Hand mit dem zuvor beschriebenen Themengebiet geht die Fertigung eigener Proben im Reinraum der Universität Innsbruck. Dieser ist erst seit Anfang dieses Jahres im Betrieb, daher muss sich unsere Arbeitsgruppe ihre Expertise noch erarbeiten. In Zusammenarbeit mit unseren Kollegen aus der Universität Würzburg (welche umfangreiche Erfahrung bei der Herstellung unserer Proben haben) und aus der Arbeitsgruppe von Prof. Kirchmair (welche bereits Erfahrung mit unseren Maschinen sammeln konnten) soll ein Grundverständnis für die Arbeitsaufläufe in einem Reinraum entwickelt werden. Anschließend sollen unter Aufsicht unseres Reinraum-Beauftragten zuvor ausgewählte Wellenleiter-Proben geschrieben werden. Sollte genügend Zeit übrig sein, bietet es sich natürlich auch an diese Wellenleiter selbst zu vermessen.

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