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Theory of multidimensional spectroscopy and excitation transfer processes in nanostructures
Specht, Judith Felicitas
Advances in the manufacturing of semiconductor-based hybrid nanostructures draws attention towards possible optoelectronic and quantum computational applications. The present work develops theoretical models to study the coherent couplings and excitation transfer mechanisms in nanostructures and aims at a microscopic understanding of the underlying Coulomb-mediated processes, thus, laying the foundation to access the full functionality of the studied quantum systems. A rich and versatile theoretical toolbox is developed capable of describing a variety of semiconductor nanostructures.
Nonlinear four-wave mixing spectroscopy in its various realizations depending on the specific temporal and spatial configuration and polarization of the pulse sequence is a valuable tool to infer the excitonic structure and dynamics of different kinds of quantum systems. In particular, the combination of polarization-resolved nanooptical excitation with two-dimensional double quantum coherence spectroscopy is employed to derive a quantum state tomography protocol for Förster coupled, spin-degenerate two-level quantum emitters (e.g., quantum dots). The here suggested reconstruction scheme makes it possible to resolve the internal structure of the probed quantum system by decomposing the collective optical response into the contributions from the single quantum emitters.
Photon echo spectroscopy, a different four-wave mixing technique, is simulated to evidence coherent couplings in monolayer transition-metal dichalcogenides and, thus, the formation of strongly correlated higher-order states without direct analogue in conventional semiconductors. A thorough implementation of the valley- and spin-dependent optical selection rules and separation of the involved quantum pathways in the presented calculations allows to identify different types of intervalley biexcitons in measured two-dimensional spectra.
A theoretical treatment including electrostatic Coulomb couplings and fine-structure splitting is developed to analyze the two-dimensional spectra measured in a two-beam four-wave mixing experiment of individual quantum dots and quantum dot molecules in rephasing and double-quantum pulse configurations. The spectral signatures can be traced back to the underlying coupling mechanisms and strengths that determine the single- and double-excitonic resonances, yielding a good agreement between theory and experiment.
Using a density-matrix equation technique, the geometry-dependent excitation transfer across a semiconductor/molecule hybrid interface is studied within physically reasonable parameter ranges. For this purpose, Förster-type non-radiative coupling is modeled microscopically using a partial charge technique, and the case of creating excitons in an optically active, highly ordered layer of organic molecules by strong electrical pumping of the semiconductor substrate is considered. It is found that the interlayer coupling efficiency is highly sensitive to changes in the resonance energy detuning, the molecular coverage, the charge carrier temperature and concentration in the semiconductor quantum well, the interlayer separation, and the spatial orientation of the flat-lying molecules on top of the substrate.
Finally, the theoretical framework for these hybrid inorganic/organic systems is extended to treat the Coulomb coupling between Wannier excitons in the semiconductor substrate including interface roughness, acoustic phonon scattering, and radiative recombination, and Frenkel excitons in the disordered organic film including intermolecular Coulomb interaction and the coupling to vibrational modes. For this purpose, a perturbative approach is chosen to derive the transition amplitudes between exciton densities in the hybrid system, and a cumulant expansion technique is used to describe the coupling to vibrational modes in the organic layer, which constitutes the main dephasing mechanism in such systems.
Fortschritte in der Herstellung von Halbleiter-basierten Hybrid-Nanostrukturen rücken mögliche Anwendungen im Bereich der Optoelektronik und des Quantencomputings in den Fokus. Die vorliegende Arbeit entwickelt theoretische Modelle, um kohärente Kopplungen und Mechanismen des Anregungstransfers in Nanostrukturen zu untersuchen, und zielt auf ein mikroskopisches Verständnis der zugrundeliegenden Coulomb-induzierten Prozesse. Damit legt sie die Grundlage, um auf die volle Funktionalität der untersuchten Quantensysteme zuzugreifen.
Nichtlineare Vier-Wellen-Mischungs-Spektroskopie in ihren verschiedenen von der zeitlichen und räumlichen Konfiguration und der Polarisation der Pulssequenz abhängigen Realisierungen ist eine wertvolle Methode, um die exzitonische Strukur und Dynamik unterschiedlicher Quantensysteme zu erschließen. Insbesondere wird eine Kombination aus polarisationsaufgelöster nanooptischer Anregung und zweidimensionaler Zwei-Quanten-Kohärenz-Spektroskopie angewandt, um ein Quantentomographie-Protokoll für Förster-gekoppelte, spinentartete Zweiniveau-Quantenemitter (z.B. Quantenpunkte) herzuleiten. Das vorgestellte Rekonstruktionsschema ermöglicht es, die innere Struktur des untersuchten Quantensystems aufzulösen, indem die kollektive optische Antwort in die Beiträge der einzelnen Quantenemitter zerlegt wird.
Photon-Echo-Spektroskopie, eine weitere Vier-Wellen-Mischungs-Technik, wird simuliert, um kohärente Kopplungen in Monolagen von Übergangsmetall-Dichalkogeniden und somit die Bildung von stark korrelierten Zuständen höherer Ordnung ohne direktes Analogon in herkömmlichen Halbleitern nachzuweisen. Eine gründliche Implementierung der valley- und spinabhängigen optischen Auswahlregeln und eine Trennung der beteiligten Quantenpfade erlauben es, verschiedene Arten von Intervalley-Biexzitonen in den gemessenen zweidimensionalen Spektren zu identifizieren.
Eine theoretische Beschreibung unter Einbeziehung von elektrostatischen Coulombkopplungen und Feinstrukturaufspaltung wird entwickelt, um zweidimensionale Spektren von einzelnen Quantenpunkten und Quantenpunktmolekülen zu analysieren, welche mittels Vier-Wellen-Mischung in Form von Zwei-Strahl-Experimenten in Photon-Echo- und Zwei-Quanten-Kohärenz-Pulskonfigurationen gemessen wurden. Die spektralen Signaturen erlauben Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Kopplungsmechanismen und -stärken, welche die einzel- und doppelexzitonischen Resonanzen bestimmen, und zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment.
Mit Hilfe einer Dichtematrix-Technik wird der von der Geometrie abhängige Anregungstransfer an der Grenzfläche einer Halbleiter-Molekül-Hybridstruktur innerhalb physikalisch sinnvoller Parameterbereiche untersucht. Zu diesem Zweck wird mittels einer Partialladungsmethode Förster-Kopplung mikroskopisch modelliert und es wird der Fall betrachtet, dass Exzitonen in einer optisch aktiven, geordneten organischen Molekülschicht durch starkes elektrisches Pumpen des Halbleitersubstrats generiert werden. Die Kopplungseffizienz zwischen den beiden Schichten erweist sich als hochempfindlich gegenüber Änderungen in der Verstimmung zwischen den Resonanzenergien, der molekularen Bedeckungsdichte, der Ladungsträgertemperatur und -konzentration im Halbleiter-Quantenfilm, dem Schichtabstand und der räumlichen Orientierung der flachen Moleküle auf dem Substrat.
Abschließend wird das theoretische Modell zur Beschreibung dieser hybriden inorganisch-organischen Systeme erweitert, um den Einfluss von Oberflächenrauigkeit, Streuung an akustischen Phononen und radiativer Rekombination im Halbleitersubstrat sowie intermolekularer Coulombwechselwirkung und Kopplung an Vibrationsmoden im ungeordneten organischen Film auf die Coulombkopplung zwischen Wannier- und Frenkel-Exzitonen zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck wird ein störungstheoretischer Ansatz gewählt, um die Übergangsamplituden zwischen Exzitondichten im Hybridsystem herzuleiten, und eine Kumulantenentwicklung wird benutzt, um die Kopplung an Vibrationsmoden in der organischen Schicht zu beschreiben, welche hauptsächlich für die Dephasierung solcher Systeme verantwortlich ist.
