Carbin für Optoelektronik und Optomechanik

In diesem Forschungsprojekt soll Carbin, eine lineare Kette aus Kohlenstoffatomen im Inneren einer Kohlenstoffnanor?hre, als neues Materialsystem für die Erforschung molekularer Optomechanik realisiert und als Transistor auf atomarer Skala verwendet werden. Mein Ansatz beruht auf zwei einzigartigen Eigenschaften von Carbin, die sich direkt aus dessen atomarer Struktur ergeben. Carbin ist ein Peierlsmaterial und existiert sowohl in einer metallischen Phase, bei der die Atome über Doppelbindungen verbunden sind, als auch in einer halbleitenden Phase mit abwechselnden Dreifach- und Einfachbindungen. Mittels elektronischer Dotierung soll zwischen diesen Zust?nden geschaltet werden. Nutzt man nun Carbin als Transistorkanal, wird der Stromfluss durch einen Phasenübergang des Materials selbst gesteuert. Dies erm?glicht einen Transistor mit dem kleinstm?glichen Querschnitt von einem Atom und unterscheidet sich radikal von herk?mmlichen Architekturen, bei denen die Schaltung mittels Dotierung eines Halbleiters erreicht wird. Kürzlich ver?ffentlichte theoretische Arbeiten schlagen die Manipulation molekularer Schwingungen (Phononen) über die koh?rente optomechanische Wechselwirkung eines Moleküls mit den starken Lichtfelder plasmonischer Strukturen vor. Dies übertr?gt das Konzept der optomechanischen Kopplung zwischen makroskopischen Resonatoren und Lichtfeldern auf die molekulare Ebene, und sagt millionenfach gr?ssere optomechanische Kopplungsraten voraus. So sollen Phononen als Informationstr?ger und zur Erforschung quantenmechanischer Effekte genutzt werden. Bisherige experimentelle Realisierungen scheitern jedoch daran, dass die verwendeten Moleküle aufgrund der starken Lichtfelder dissoziieren. Dies wird hier mittels Carbin überwunden, erm?glicht durch dessen ausserordentlich grossen Ramanstreuquerschnitt, die Rate mit der Licht inelastisch an Gitterschwingungen (Phononen) gestreut wird. Mit Carbin wird das Regime der optomechanischen Kopplung bei deutlich schw?cheren Lichtfeldern erreicht. Dies erm?glicht die Pr?paration von Phononpopulationen fernab des thermischen Gleichgewichts, und soll über die koh?rente Emission von Phononen (Phononen Laser) und der Emission korrelierter Photonen demonstriert werden. Mein Projekt sieht zun?chst vor, die Phononen- und Anregungsdynamik von Carbin und wie diese von der umgebenden Kohlenstoffr?hre beeinflusst wird genau zu ergründen. Dies wird mittels spitzenverst?rkter, temperatur- und wellenl?ngenabh?ngiger Ramanspektroskopie erreicht. Im Anschluss wird Carbin per Dielektrophorese in eine Transistorkonfiguration gebracht und auf gleiche Weise mit plasmonische Strukturen gekoppelt. Durch elektrische Transportmessungen wird die Funktionalit?t des angedachten Carbintransistors direkt nachgewiesen.