http://www.tu-ilmenau.de

Logo TU Ilmenau


Fachgebiet
Theoretische Physik II/ Computational Physics

headerphoto Fachgebiet 
Theoretische Physik II/ Computational Physics
Ansprechpartnerin

Prof. Dr. Martina Hentschel

Fachgebietsleiterin

Telefon +49 3677 69 3706/3612

E-Mail senden


INHALTE

Forschung

Experten möchte ich auf die Veröffentlichungsseite verweisen, dem interessierten Nichtspezialisten folgende kurze Einführung in unsere Forschung geben:

Zwischen Quantenmechanik und Klassik: Das mesoskopische Regime

Mesoskopische Systeme liegen mit Abmessungen im Mikrometerbereich zwischen den makroskopischen, durch die klassische Physik beschriebenen Objekten unseres Alltags und den Quantensystemen auf der atomaren Skala. Sie sind damit zu groß für eine vollständig quantenmechanische Beschreibung, aber klein genug, um Abweichungen vom klassischen Verhalten zu beobachten. Diese treten zum Beispiel in Form von Interferenzeffekten auf, bekannte Beispiele dafür sind der Aharonov-Bohm-Effekt, Berry-Phasen, die schwache Lokalisierung oder Abweichungen zwischen Strahlen- und Wellenoptik. Interessant und eine Motivation unserer Forschung ist es zu verstehen, wie und warum sich kleine Systeme von makroskopischen unterscheiden und wie sich das beispielsweise in den Signaturen von Vielteilcheneffekten widerspiegelt. Neben diesen Fragen der Grundlagenforschung beschäftigen wir uns auch mit Anwendungen im Bereich der Mikro- und Nanooptik: Wie kann man einen Laser miniaturisieren? Wie verhält sich polarisiertes Licht in sehr kleinen Strukturen?

Vielteilchenphysik, Quantenchaos und Mikrolaser

Beispiele für elektronische mesoskopische Systeme sind Quantenpunkte und andere komplexe Halbleiterheterostrukturen sowie Graphen. Optische Mikrokavitäten und Mikrolaser diverser Form und Größe sind Vertreter der photonischen Mesoskopie. Ein Beispiel für eine Strahlenbahn, eine Resonanz und ihre Darstellung im sogenannten Phasenraum ist im oberen Bild gezeigt - die gute (wenngleich nicht perfekte!) Übereinstimmung ist ein Beleg für das etablierte Konzept der Strahlen-Wellen-Korrespondenz.

Die großen Fortschritte der letzten Jahre in der Herstellung mesoskopischer Strukturen, ihrer experimentellen Kontrolle und theoretischen Beschreibung haben das Verständnis entscheidend vertieft. Das Beobachten von Interferenzphänomenen ist häufig ein erstes Anzeichen für das Auftreten von Quanteneffekten. Im Fall der in Quantenpunkten lokalisierten Elektronen sorgt die Selbstinterferenz der Wellenfunktion aufgrund der Systembegrenzung für charakteristische und deutliche Abweichungen in der Signatur der Photoabsorption vom klassischen (d.h. hier metallischen) Verhalten: Die Vielteilchenantwort des Systems hängt damit von seiner Größe ab! Das ist im mittleren Bild gezeigt für den Fall der Absorption eines Röntgenquants gezeigt (das sogenannte Röntgenkantenproblem, englisch x-ray edge problem), ein klassisches Vielteilchenproblem, in dem sich Abweichungen vom "normalen" Verhalten in Form sogenannten Fermikantensingularitäten zeigen: Während sich für Anregunspositionen, die zentral im Quantenpunkt liegen, das metallische Verhalten erkennen lässt (also ein anwachsendes Signal, sog. "rounded edge"), zeigen Störungen am Rand des Quantenpunktes ein stark abfallendes Signal (sog. "peaked edge"). In mesoskopischen Systemen dominiert dieses Signal die Gesamtantwort des Systems.

In optischen mesoskopischen Systemen führen Interferenzeffekte (bekannt als Goos-Hänchen-Verschiebung und Fresnel-Filtern) zu Abweichungen vom wohlbekannten Reflexions- und Brechungsgesetz - die aus der Strahlenoptik wohlbekannte Regel "Einfallswinkel=Ausfallswinkel" gilt für Gaußsche Strahlen in der Nähe des kritischen Winkels für Totalreflexion nicht mehr! Das ist im unteren Bild dargestellt, in dem ein Lichtstrahl nahe dem kritischen Winkel (hier bei 42 Grad) auf ein optisch dünneres Medium trifft (z.B. auf eine Luftkammer in einer Glasmatrix). Solche auf der Wellennatur des Lichtes beruhenden Korrekturen zur Strahlenoptik werden mit bei der fortschreitenden Miniaturisierung von optischen Geräten immer wichtiger. Da sie auch die Richtung des emittierten Lichts beeinflussen, ist ihre genaue Kenntnis Voraussetzung für eine korrekte Vorhersage und Simulation des Fernfelds von Mikroscheibenlasern. Dabei erweisen sich Ideen aus dem Gebiet Quantenquantenchaos' und das Prinzip der Strahlen-Wellen-Korrespondenz als sehr nützlich. Weitere, aktuelle Forschungsrichtungen der Gruppe sind die Beschreibung realer, dreidimensionaler nanooptischer Systeme, die Fernfeldanalyse dreieckiger Mikrolaser, die Untersuchung von Graphen-Billards und die Lichtausbreitung in dreidimensionalen inhomogenen und anisotropen Systemen mit dem besonderen Augenmerk auf den Beitrag von Berry-Phasen zur Polarisationsdynamik. Dazu nutzen wir analytische sowie numerische Verfahren und Simulationen auf Großrechnern, die vor Ort im Rechenzentrum der Technischen Universität Ilmenau verfügbar sind.