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Topologisch Aktives Optisches Materialien

Topologische Systeme sind sehr interessant für Anwendungen in Quanten-Rechner, weil sie robuste Systeme darstellen und deshalb lange Kohärenzzeiten aufweisen. Toplogisch geschützter Transport von Information kann in elektronischen sowie photonische Systemen stattfinden. Der Vorteil von topologischen Konzepten in der Photonik gegenüber elektronischen Systemen ist, dass die topologische Funktionalität alleine durch das Design-Layout von bereits bekannten Materialien erreicht werden kann, und exotische Materialien mit komplexen Transporteigenschaften nicht erst entwickelt werden müssen.
In den vergangenen 2-3 Jahren wurde topologische Transport in verschiedenen Materialsystemen demonstriert. In Silizium wurde mit Hilfe von geätzten Strukturen photonische Kristallgitter hergestellt, welche polarisiertes Licht präzise steuern konnte. Diese Materialien werden auch als Meta-Materialien bezeichnet, da die optischen Eigenschaften grösstenteils durch die Nanostrukturierung gegeben ist.
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts
Bis jetzt wurden topologische Metamaterialen entweder in einem optisch passiven Material wie Silizium hergestellt oder sie bestanden ganz aus einem aktiven Material, wie zum Beispiel GaAs. Es wäre enorm vorteilhaft, wenn die Funktionalität der beiden Materialklassen kombiniert werden könnte, was bis anhin nicht möglich war. Ein auf Silizium basiertes topologisches Metamaterial mit eingebetteten aktiven Photon Emitter und Detektoren aus III-V Material würde neue Anwendungen ermöglichen. Die Herstellung einer kombinierten aktiv-passiver Plattform könnte jedoch mittels einer spezialisierten Technologie, welche von IBM entwickelt wurde (TASE, Template-Assisted Selective Epitaxy) herstellbar sein.
In diesem Projekt wird zuerst das Designlayout des photonischen Metamateriales von Hanbat University berechnet, und anschliessend in Silizium implementiert und getestet. In der zweiten Phase wird bei IBM optisch aktives III-V Material in die Siliziumstruktur epitaktisch integriert mit dem Ziel optische gepumpte Emission direkt in die topologische Phase zu ermöglichen.