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Towards broadband entangled photons from 2d-materials
Benjamin Braun
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Philip Walther
Mitbetreuer*in
Lee Arthur Rozema
DOI
10.25365/thesis.74488
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12466.06086.871854-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Im Jahr 2004 wurde ein neuartiges Material mit dem Namen "Graphen", bestehend aus nur einer Schicht Molekülen, experimentell entdeckt. Seitdem ist ein neues Forschungsfeld um sogenannte 2d-Materialien entstanden, die eine Vielzahl an außergewöhnlichen Eigenschaften aufweisen. Besonders hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften bieten Graphen und viele andere 2d-Materialien hervorragende Charakteristiken mit unerforschtem Potenzial. Während experimentelle Forschung an 2d-Materialien vor weniger als zwei Jahrzenten begonnen hat, ist die Optik eines der ältesten und größten Gebiete der Naturwissenschaften. Bildgebung, Hochpräzisionsmessungen und Metrologie sind nur ein paar Beispiele der Vielzahl an Andwendungen der modernen Optik. Im gegenwärtigen Stand der Quantenoptik werden bereits quantenkryptographische Systeme kommerzialisiert, an Fortschritten in der Entwicklung des ersten photonischen Quantencomputers wird kontinuierlich gearbeitet und die Verleihung des letzten Nobelpreises betont die Relevanz der fundamentalen Forschung in der Quantenmechanik mit photonischen Technologien. Während diesem Masterprojekt wurden erste Schritte am Weg zur Detektion verschränkter Photonenpaare von parametrischer Fluoreszenz, die in 2d-Materialien erzeugt wurden, gemacht. In diesem Prozess kann ein Photon in zwei Photonen mit niedrigerer Energie zerfallen, wobei sie auf Grund der simultanen Entstehung quantenmechanische Korrelationen aufweisen. Da eine Schicht dieser Materialien um ein Vielfaches dünner ist als eine optische Wellenlänge, kann die Phasenanpassung als vollständig aufgehoben angenommen werden, üblicherweise schränkt diese Bedingung derartige nichtlineare Prozesse stark ein. Das ermöglicht breitbandige Frequenzverschränkung und kontinuierliche Polarisationskorellationen unabhängig voneinander. Das an sich könnte im Bereich der Quanteninformation Anwendung finden, da es die zugänglichen Parameter von Quellen verschränkter Photonen erweitert. Außerdem ist es ein Schritt in Richtung eines größeren Ziels, der Entwicklung von logischen Quantengattern für Photonen. In dieser Thesis wird ein experimenteller Aufbau präsentiert, der für Frequenz-variable Frequenzverdopplung, Differenzfrequenzerzeugung und Vier-Wellen-Mischung in kollinearer Transmissionsgeometrie verwendet werden kann. Dieses Setup wurde für das Projekt neu entworfen und aufgebaut. Eine Adaptierung für die Detektion von Photonenpaaren von parametrischer Fluoreszenz zweiter oder dritter Ordnung wird gezeigt. Das spektrale Verhalten von den erwähnten Prozessen wird simuliert. Das Polarisationsverhalten von Frequenzverdopplung, Differenzfrequenzerzeugung und parametrischer Fluoreszenz in Materialien der D3h Symmetriegruppe werden errechnet. Weiters wurden fünf kommerzielle Übergangsmetall-Dichalkogenid Proben, die Teil der D3h Gruppe sind, mit Frequenzverdopplung getestet. Ihr Größe, Geometrie, Waferbedeckung und optische Qualität wurden charakterisiert. Außerdem wurden die erwartete Leistungsabhängigkeit, das spektrale und Polarisationsverhalten bestätigt. Die gesammlten Daten von alle Proben wird präsentiert und verglichen. Abschließend werden die nächsten Schritte für die stimulierte Emissionstomographie und Detektion von Photonenpaaren diskutiert.
Abstract
(Englisch)
In 2004, a new type of material with a thickness of just one atomic layer, nowadays referred to as graphene, was experimentally discovered. Ever since then, a new field of science has emerged around so called 2d-materials, probing their large variety of extraordinary properties. Especially in terms of their optical properties, graphene and many other 2d-materials offer outstanding characteristics with unexplored potential. While experimental research on 2d-materials started less than two decades ago, optics is one of the oldest and biggest research areas of natural sciences. Imaging, high precision sensing and metrology are just a few examples of the plethora of modern optical applications. Taking a look at the present state of quantum optics, quantum cryptographic schemes are already commercialized, advances are being made towards the first photonic quantum computer and the recent Nobel Price in physics underlines the relevance of fundamental discoveries in quantum mechanics utilizing photonics. During this master’s project, first steps have been taken towards the observation of entangled photon pair production from downconversion mediated in 2d-materials, a nonlinear quantum process in which a photon may decay into two lower energy photons exhibiting quantum correlations due to their simultaneous creation. As the monolayer thickness of these materials is deeply sub-wavelength, the so called phase-matching condition which usually restricts this process in bulk materials can be considered entirely lifted. This will allow for broadband frequency entanglement and continuous polarization correlations, independently. This in itself could see applications in quantum information processing as it expands the accessible parameters of entangled photon sources and additionally is a step forward in the larger scale goal of developing new quantum logic gates for photons. In this thesis, a setup which can be interchangeably used for wavelength-tunable second harmonic generation, difference frequency generation and four-wave mixing in a collinear transmission geometry is presented. This setup was designed and built from scratch for this project. An adaptation for detection of photon pair generation from spontaneous parametric downconversion or spontaneous four-wave mixing is also shown. The spectral behaviour of all aforementioned processes are simulated. The polarization behaviour of second harmonic generation, difference frequency generation and spontaneous parametric downconversion in materials of the D3h symmetry group are calculated. Furthermore, five commercial transition metal dichalcogenide monolayer samples, which are part of the D3h group, have been tested with second harmonic generation in this setup. Their size, geometry, wafer coverage and optical quality have been characterized. Additionally, the expected power dependence, spectral and polarization behaviour are confirmed. The assembled data from all samples is presented and compared. Lastly, further steps towards stimulated emission tomography and photon pair generation in 2d-materials are discussed.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
nichtlineare Optik 2d-Materialien Übergangsmetall-Dichalkogenide Frequenzverdopplung spontane Fluoreszenz
Schlagwörter
(Englisch)
nonlinear optics 2d-materials transition metal dichalcogenides second harmonic generation spontaneous parametric downconversion
Autor*innen
Benjamin Braun
Haupttitel (Englisch)
Towards broadband entangled photons from 2d-materials
Paralleltitel (Deutsch)
Auf dem Weg zu breitbandig verschränkten Photonen aus 2d-Materialien
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
viii, 70 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Philip Walther
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.18 Optik
AC Nummer
AC16969283
Utheses ID
68598
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |