Was macht eigentlich eigentlich Jens Förstner

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Emmy-Noe
Prof.
Jens Förstner
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Problem: Brain Drain
(2004-2006)
Optical Science Center
Lamb
Bloembergen
(Nobelpreis 1981)
(Nobelpreis 1955)
(echte Palmen!)
Glauber
(Nobelpreis 2005)
ICH
2000-2004:
davor:
Lösung: Emmy-Noether Programm
Trick der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG):
(grösster Geldgeber für Forschungsprokejte in Deutschland)
Locke Nachwuchswissenschaftler
mit weiblichen Reizen zurück nach
Deutschland!
Ausserdem:
1. Verantwortung für eigene Unabhängige Gruppe
2. eigene Stelle sowie zwei Mitarbeiterstellen
3. Sach- und Reisemittel
4. Prestige (aber leider kein Professorentitel)
(unangenehm: man Muß einen Längeren Antrag stellen)
Nachwuchsgruppe
Thema: „Computational Nanophotonics“
Ziel der PhotoniK:
vollständige Kontrolle des Lichtfeldes
Speicherung und Steuerung von Licht auf Femto- bis Nanosekunden-Skalen
Möglich? Nur über Licht-Materie-Wechselwirkung!
Heutzutage: NanoStrukturierte Materialien:
‡Quantenmechanik relevant
‡Nahfeldeffekte wichtig (Interferenz+Evaneszente FElder)
‡Kontrolle über Starke Kopplung von Licht und Materie
Nanostrukturierung
3d: Volumenhalbleiter
Bandstruktur:
2d: Quantenfilm (QW)
V(z)
ψ(z)
quanten confinement
~5nm
Elektronen werden in dünner Schicht eingesperrt (in QM Potential)
(a) 2d ElektronenGas -> hohe Zustandsdichte -> gut für LASER
(b) Aufspaltung in Subbänder, Übergänge im THz/IR-Bereich
Nanostrukturierung (MQW)
2d: VielfachVielfach-QuantenFilme (MQW)
Vielfach-Reflektiertes Licht interferiert mit sich selbst:
‡Formation von verbotenen Frequenzen („Bandlücke“)
(analog Fabry-Perot-Resonator/Etalon, „1d Photonischer Kristall“)
‡gleichzeitige Kontrolle von Elektronen- und Lichtdynamik.
‡Quantenkaskadenlaser (QCL), IR/THz Bereich
‡Lichtgeschwindigkeit kann beeinflusst werden („Slow Light“)
Nanostrukturierung (QD)
0d: quantenPunkte (QD)
ak
Pr tuel
oj
ek les
t
~2-200nm
Verschiedenste Typen (Ø=2..200nm):
nanokolloide, selbstorganisiertes Wachstum,
Oberflächenfluktuationen
‡ Teilchen in box: atom-Ähnliche diskrete EnergieStruktur.
‡ Zustands- oder Spinkontrolle durch optische Pulse
‡ ideal Zum speichern und Manipulieren von Quanteninformation. Allerdings: DeKohärenz (Verlust der
quantenmechanischen Phase durch wechselwirkung mit Umgebung)
Nanostrukturierung (Metas)
metamaterialien/metallische
metamaterialien/metallische nanostrukturen
ak
Pr tuel
oj
ek les
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Split-Ring-Resonator
E
H
200nm
‡ komplexe Strukturierung
‡ Plasmonenanregung im Metall
‡ Effektive Magnetische Resonanz: negative
LichtBrechung möglich („Left Handed Materials“)
‡ verstärkte Second-Harmonic-Generation bei
nichtlinearer anregung.
RHM
LHM
Methoden (1)
Hamiltonian für geladene Teilchen im Lichtfeld:
1
2
ǫ0
2
3
2 2
H=
(pi − e0 ZiA (ri)) +
d r E + c0B
2mi
2
i
Gitterschwingungen
Elektronendynamik
mode quantization
Phononen bµ,q
Lichtfeld
2nd quantization
field quantization
Hel-p
Hel-ph
Blochelektronen
ai,k
Hph-ph
Hfield
Photonen cλ, q
classical
description
Maxwellgleichungen
Hel-el
Daraus lassen sich die relevanten quasiteilchen und
wechselwirkungen im Festkörper herleiten.
(siehe Vorlesung „Theoretische FestkörperPhysik“)
Methoden (2)
Das führt zu Gleichungen wie diesen:
(optische Blochgleichung für Quantenpunkt mit elektron-Phonon-Wechselwirkung)
Diese Differentialgleichungen werden dann numerisch gelöst.
Selbstkonsistenz
Elektronen
Vielteilchentheorie
(DGL siehe oben)
Absorption/Emission
ändert Feld
P(t),f(t)
E(t),B(t)
Feld treibt
Elektronendynamik
Elektromagnetisches Feld
Maxwell Gleichungen
(ebenfalls numerisch gelöst)
×E
= −∂ B
∇
∂t
×B
= µ0 ǫ0ǫb ∂ E
+ P
∇
∂t
(alternativ: Quantenoptik)
Starke gegenseitige Kopplung
erfordert Selbstkonsistente Behandlung
Beispiel: Photonischer Kristall mit QUantenpunkt:
6µm
ak
Pr tuel
oj
ek les
t
25nm
lokalisierte Mode, Q=15000
weitere Projekte:
Viele Quantenpunkte in Phot.
Phot. KRistall:
KRistall:
‡Adressierung einzelner Quantenpunkte
‡Quantenoptik
‡Nichtlineare Anregung
QuantenpunktKaskade
‡ Nahfeldkopplung
‡ Energietransfer in den
photonischen Kristall
hybride Metamaterialien
‡ metall (linear+Nichtlinear)
‡ Halbleiter
zur Arbeitsgruppe:
Wir Bieten:
Bieten
‡spannende themen aus der aktuellen Forschung
‡gute Arbeitsatmosphäre, Regelmässig Kuchen!
wir erwarten:
‡Interesse an Theoretischen Problemen
‡solides TheorieWissen
(idealerweise FestKörperTHeorie-vorlesung)
‡möglichst wenig Programmier-/Numerik-aversion
Bei Interesse einfach im N3 vorbeischauen!
Aber warum Paderborn?? Umfeld!
u.a. Meier
(Theoretische Physik)
u.a. Zrenner
(Experimentalphysik)
Schuhmann
(Elektrotechnik)
St. Liborius