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

 

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

Wellenleiter LaserIn unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns unter anderem mit der Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren mithilfe von parametrischer Fluoreszenz in AlGaAs Halbleiterstrukturen die als Bragg-Reflection Waveguides bezeichnet werden. Dabei werden zwei verschiedene Wellenlängen verwendet -  Licht mit etwa 780nm wird in Photonenpaare mit 1560 nm Wellenlänge konveriert. Um die Prozesse so effizient wie möglich zu gestalten, ist es daher von Interesse im experimentellen Aufbau verschiedene optische Beschichtungen zu verwenden, die für diese Wellenlängen geeignet sind. Unsere Wellenleiter besitzen jedoch aufgrund ihres hohen Brechungsindizes eine Facettenreflektivität von etwa 30%. Das heißt, dass ein großer Anteil des Lichts beim Eintreten und Verlassen der Struktur verloren geht. Daher sollen in dieser Masterarbeit mithilfe einer sputtering Maschine verschiedene Anti-Reflektionsbeschichtungen an den Facetten unserer Chips aufgetragen werden, um diese Verluste zu minimieren. Dafür ist es notwendig einfache Simulationen für die Beschichtungen zu erstellen, sich mit der Maschine in unserem Reinraum im Quanten-Nano-Zentrum Tirol vertraut zu machen und die resultierenden Proben mithilfe eines Ellipsometers zu vermessen.

 

Verschränkte Photonenpaare für die Spektroskopie

Haben quantenmechanische Prozesse einen Einfluss auf die Photosynthese? Welche Energien und Lebensdauern haben die angeregten Niveaus in Halbleiterquantenpunkten? Solche und viele andere Fragestellungen lassen sich mit den Methoden der ultraschnellen Spektroskopie mit Laserpulsen beantworten. Allerdings ist die zeitliche und spektrale Auflösung dabei durch die Welleneigenschaften der Laserpulse begrenzt. Ein neuartiges Verfahren, das in der Theorie die Überwindung solcher Limitationen verspricht, ist die Spektroskopie mit verschränkten Photonenpaaren (s. Bild)[1].Spektroskopie mit verschränkten Photonenpaaren

Wir entwickeln eine Quelle Energie-Zeit-verschränkter Photonenpaare, die für so eine Spektroskopie verwendet werden soll. Der erste Teil der Photonenquelle ist bereits im Betrieb. Das Ziel der Masterarbeit wäre der Aufbau und die Charakterisierung des zweiten Teils, eines sogenannten Franson-Interferometers [2]. Dabei soll die Effizienz der gesamten Quelle, die Spektren der erzeugten Photonen und die Güte der Verschränkung vermessen und ggf. optimiert werden. Wenn alles gut funktioniert wird die Quelle anschließend zu unserem schwedischen Kooperationspartner versendet, der die Spektroskopie durchführen wird. Falls der Stand der Arbeit und die verfügbare Zeit es am Ende zulassen, wäre ein Auslandsaufenthalt bei unserem Partner zur dortigen Inbetriebnahme der Quelle möglich.

  1. G. Raymer, A. H. Marcus, J. R. Widom & D. L. P. Vitullo, "Entangled Photon-Pair Two-Dimensional Fluorescence Spectroscopy (EPP-2DFS)," J. Phys. Chem. B 117, 15559 (2013), https://doi.org/10.1021/jp405829n.
  2. D. Franson, "Bell inequality for position and time," Phys. Rev. Lett. 62, 2205 (1989), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.62.2205.

 

Mehrphotoneninterferenz

Treffen zwei identische Photonen von unterschiedlichen Seiten auf einen Strahlteiler, so verlassen sie diesen nicht unabhängig voneinander, sondern sind immer gemeinsam in einem der beiden möglichen Ausgangspfade zu finden. Diese Zweiphotoneninterferenz (bekannt als Hong-Ou-Mandel Effekt [1]) ist die Folge der bosonischen Eigenschaften der Lichtteilchen und einer Symmetrie des Strahlteilers. Obwohl keine Kräfte zwischen den Photonen herrschen, lässt sich mit dieser Methode eine effektive Wechselwirkung herstellen, was in Quanteninformationsverarbeitung verbreitete Anwendung findet. Kürzlich konnten wir beweisen, dass sich der Hong-Ou-Mandel Effekt auf beliebig viele Photonen und beliebig viele Ein- und Ausgänge des Strahlteilers verallgemeinern lässt [2].

Mehrphotoneninterferenz

Die Masterarbeit könnte wahlweise theoretisch oder experimentell ausgerichtet sein. Auf theoretischer Seite wäre zu untersuchen ob und wie sich einige Phänomene, die bisher nicht in der allgemeinsten bekannten Beschreibung [2] enthalten sind, mit dieser in Einklang bringen lassen. Im Experiment erzeugen wir mittels Halbleiterquantenpunkten eine Serie von Einzelphotonen. Diese wollen wir in gekoppelten optischen Wellenleitern zur Interferenz bringen (s. Bild). Hier bestünde die Aufgabe im Aufbau und der Charakterisierung eines schnellen elektrooptischen Schaltsystems mit Faserverzögerungsstrecken [3], welches die nacheinander eintreffenden Photonen räumlich aufteilt und synchronisiert. Je nach Fortschritt der Arbeit könnten dann auch noch Interferenzexperimente durchgeführt werden.

  1. K. Hong, Z. Y. Ou, and L. Mandel, "Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference," Phys. Rev. Lett. 59, 2044 (1987), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.2044.
  2. Dittel, G. Dufour, M. Walschaers, G. Weihs, A. Buchleitner, and R. Keil, "Totally Destructive Many-Particle Interference," Phys. Rev. Lett. 120, 240404 (2018), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.240404.
  3. T. Hummel, et al., “Efficient demultiplexed single-photon source with a quantum dot coupled to a nanophotonic waveguide”, Appl. Phys. Lett. 115, 021102 (2019), https://doi.org/10.1063/1.5096979
Nach oben scrollen