Computergestützte Nanophotonik

Im Rahmen der Emmy-Noether Nachwuchsgruppe “Computational Nanophotonics” wurde eine Vielzahl von Einzelfragen aus dem Bereich der photonischen Nanostrukturen mit Hilfe von quantitativen Simulationen untersucht. ?bergreifend hat sich dabei der Erfolg des gew?hlten Ansatzes gezeigt, der in einer Kombination von mikroskopischen Materialmodellen (Dichtematrixtheorie für Halbleiter, Hydrodynamisches Modell für unterhalb der Bandlücke angeregte Metalle) mit numerischen Methoden zur L?sung der 3D Maxwellgleichungen (FDTD, DG-TD) besteht. Für Halbleiterquantenpunkte, die mit lokalisierten Moden von Defektkavit?ten in photonische Kristallen wechselwirken konnten, wurde Normalmodenaufspaltung mikroskopisch und quantitativ gezeigt. Für Kombination mehrerer solcher Systeme konnte der Ein?uss der Anordnung bestimmt werden. Für Quantenpunkte in Mikrodisk-Resonatoren in einem Flüssigkristall konnte der Ein?uss der variierbaren anisotropen dielektrischen Umgebung simuliert werden und zeigte gute ?bereinstimmung mit dem Experiment. Für Quantenpunktmoleküle konnte gezeigt werden, wie die Tunnelrate zwischen den Quantenpunktzust?nden durch den Ein?uss der Gitterumgebung in Form von Photonen deutlich verst?rkt werden kann. Der Ein?u? der Phononen zeigt sich auch deutlich bei adiabatischen ?berg?ngen zwischen den Singlet Zust?nden des Quantenpunktmoleküls. Eine Arbeit im Bereich der Quantenoptik in Kooperation mit S. Schumacher zeigte, wie sich durch passende Einstellung eines photonischen eine Biexziton-Zerfallsprozess über einen virtuellen Zwischenzustand massiv verst?rken l?sst, so dass dieser zum dominanten Prozess wird. Die relativ lange Laufzeit des Projektes erlaubte auch eine interessante aber aufw?ndige Methodenentwicklung, die mit ungewissen Erfolgsaussichten begonnen wurde. Basierend auf einer dynamischen zeitabh?ngigen Dichtefunktionaltheorie wurde die nichtlineare Antwort von metallischen Nanostrukturen beschrieben. Mit diesem Ansatz konnte best?tigt werden, dass Second Harmonic Generation an der Ober??che von Nanostrukturen erzeugt wird, allerdings in einer nichtklassischen da nichtlokalen Weise. Die relevanten L?ngenskalen konnten extrahiert werden und als Referenz und Basis für numerisch handlichere semiklassische Ans?tze wie dem Fermidruck-Modell genutzt werden. Ein weiterer Schwerpunkt war die Entwicklung von numerischen Methoden zur Simulation der elektromagnetischen Feldausbreitung in Nanostrukturen in Kombination mit mikroskopischen Materialmodellen. Hier wurde einerseits auf die weitverbreitete FDTD aufgebaut, die um verschiedene Materialmodelle bei stabiler und konvergenter Simulation erweitert werden konnte. Einen Durchbruch erm?glichte ausserdem die aufw?ndige Implementierung eines Simulationstools auf Basis der Nodal Discontinuous Galerkin Time Domain Methode, die adaptive Gitter erlaubt und als Verfahren h?herer Ordnung besseres Dispersionsverhalten zeigt. Erst dies erlaubte die zuverl?ssige Simulation der Erzeugung h?herer Harmonischer in Nanostrukturen im Rahmen eines erweiterten hydrodynamischen Modells. Für Arrays von plasmonischen Split-Ring-Resonatoren konnte gezeigt werden, dass bei zu hohen Dichten die SHG-E?zienz durch D?mpfungse?ekte und Felddeformationen reduziert wird. Insgesamt konnten also eine Vielzahl von interessanten photonischen Nanostrukturen im linearen und nichtlinearen Anregungsbereich erfolgreich mit den entwickelten Theorien auf Basis von mikroskopischen Materialmodellen und Feldsimulationsmethoden beschrieben werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

"Self-assembled quantum dots in a liquid-crystal-tunable microdisk resonator", Physica E 42, 2552 (2010)

Karoline A. Piegdon, Matthias O?er, Axel Lorke, Martin Urbanski, Andreas Hoischen, Heinz-S. Kitzerow, Stefan Declair, Jens F?rstner, Torsten Meier, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, Cedrik Meier

"Indirect spin dephasing via charge-state decoherence in optical control schemes in quantum dots", Phys. Rev. A 79, 042331 (2009)

A. Grodecka, P. Machnikowski, and J. F?rstner

"Anticrossing of Whispering Gallery Modes in Microdisk Resonators Embedded in an Anisotropic Environment", Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications 8, 273-277 (2010)

S. Declair, C. Meier, T. Meier, J. F?rstner

"Enhanced FDTD Edge Correction for Nonlinear E?ects Calculation“, Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 2010 IEEE, 1-4 (2010)

C. Classen, J. F?rstner, T. Meier, R. Schuhmann

"Tuning quantum-dot based photonic devices with liquid crystals", Optics Express, 18, 7946 (2010)

Karoline A. Piegdon, Stefan Declair, Jens F?rstner, Torsten Meier, Heiner Matthias, Martin Urbanski, Heinz-S. Kitzerow, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, Axel Lorke, Cedrik Meier

“Reversal of coherently controlled ultrafast photocurrents by band mixing in undoped GaAs semiconductor quantum wells“, Phys. Rev. Lett. 104, 217401 (2010)

S. Priyadarshi, A.M. Racu, K. Pierz, U. 365足彩投注_365体育投注@gner, M. Bieler, H.T. Duc, J. F?rstner, T. Meier

“Simulation of the ultrafast nonlinear optical response of metal slabs”, phys. stat. sol. (b) 248, 887 (2011)

Mathias Wand, Arno Schindlmayr, Torsten Meier, Jens F?rstner

"Cavity-assisted emission of polarization-entangled photons from biexcitons in quantum dots with ?ne-structure splitting", Optics Express 20, 5335 (2012)

Stefan Schumacher, Jens F?rstner, Artur Zrenner, Matthias Florian, Christopher Gies, Paul Gartner, and Frank Jahnke

"Collective e?ects in second-harmonic generation from split-ring-resonator arrays", Phys. Rev. Lett. 109, 15502 (2012)

S. Linden, F.B.P. Niesler, J. F?rstner, Y. Grynko, T. Meier, M. Wegener

"Photonic Crystal Waveguides Intersection for Resonant Quantum Dot Optical Spectroscopy Detection", Optics Express 20, 14130 (2012)

Xiaohong Song, Stefan Declair, Torsten Meier, Artur Zrenner, Jens F?rstner