Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-999
Main Title: Light Propagation and Many-Particle Effects in Semiconductor Nanostructures
Translated Title: Lichtpropagation und Vielteilcheneffekte in Halbleiternanostrukturen
Author(s): Förstner, Jens
Advisor(s): Knorr, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wird eine Theorie vorgestellt, welche die quantenmechanische Vielteilchenphysik der Licht-Materie Wechselwirkung in Halbleiternanostrukturen beschreibt. Diese mikroskopische Beschreibung wird durch Kombination eines allgemeinen Dichtematrixansatzes mit speziellen Methoden zur Auswertung der Maxwellgleichungen wie der zeitaufgelösten Finite-Differenzen-Methode (FDTD) erreicht. Die Theorie wird auf verschiedene physikalische Situationen angewendet, wie z.B. Lichtausbreitung in Volumenhalbleitern, Interband- und Intersubbandübergänge in Quantenfilmstrukturen und optische Anregung von Quantenpunkten. Der Fokus liegt dabei auf der Beschreibung der linearen und nichtlinearen Antwort des Vielteilchensystems und seiner Ankopplung an das elektromagnetische Feld. In diesem Zusammenhang wird sowohl die Erzeugung als auch der Zerfall von optischen Anregungen untersucht, indem verschiedene Kopplungsmechanismen wie Elektron-Phonon-, Elektron-Photon- und Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt werden. Im Bereich der linearen Optik, also für Anregung mit geringer Intensität, ermöglicht die Theorie die Berechnung von Absorptionsspektren. Verschiedene Effekte in linearer Optik werden in dieser Arbeit untersucht und beschrieben: Linienaufspaltung durch Polaritonen im Volumenmaterial, Zunahme der Linienbreite bei Intersubbandübergängen verursacht durch Elektron-Elektron- und Elektron-Phonon-Streuung in einzelnen Quantenfilmen, Bildung einer optischen Bandlücke durch starke radiative Kopplung in Vielfilmstrukturen in Bragg-Geometrie, Phononenseitenbänder verursacht durch quantenkinetische Effekte in einzelnen Quantenpunkten und schliesslich Superradianz und Interferenzeffekte in Quantenpunktgittern. Bei nichtlinearer Anregung treten Dichte-Rabiflops als fundamentale Prozesse in allen betrachteten Systemen auf und können als kohärente Be- und Entvölkerung von quantenmechanischen Zuständen beobachtet werden. Der Einfluss von starker Lichtkopplung und verschiedenen Wechselwirkungen auf dynamische Größen wie die Besetzung wird untersucht. Bei nichtlinearer Propagation, bei der sich ein starker Lichtpuls über längere Strecken in einem System bewegt, wird selbstinduzierte Verstärkung der Transmission näher betrachtet. Des weiteren werden von der Coulombwechselwirkung verursachte nichtlineare Effekte wie exzitoninduziertes Dephasieren in Volumenmaterial und verschränkte Zustände in Quantenpunkten untersucht, die einen Zusammenbruch der Hartree-Fock-Näherung darstellen. Zusammenfassend werden in dieser Arbeit verschiedene lineare und nichtlineare optische Effekte in Halbleiternanostrukturen verschiedener Dimensionalität mit Hilfe einer allgemeinen Theorie, die einen Dichtematrixansatz mit den Maxwellschen Gleichungen kombiniert, untersucht.
This work presents a theory describing the quantum mechanical many-particle physics of light-matter interaction in semiconductor nanostructures. A microscopic description is achieved by combination of a general density matrix approach and special methods for the evaluation of Maxwell's equations like the Finite Differences Time Domain (FDTD) method. The theory is applied to several physical situations like propagation in bulk semiconductors, interband and intersubband transitions in semiconductor quantum well structures and optical excitation of quantum dots. The main focus lies on the description of the linear and nonlinear optical response of many-particle systems and their coupling via the electromagnetic field. In this context both the build-up and decay of optical excitation is studied by taking into account several coupling mechanisms like electron-phonon, electron-photon and electron-electron interaction. In the linear optical regime, i.e. for low-intensity excitation, the theory allows calculation of absorption spectra. Several effects in linear optics are investigated and described in this work: Polariton splitting in bulk material, linewidth broadening of intersubband transitions due to electron-electron and electron-phonon scattering in single semiconductor quantum wells, formation of optical stop bands by strong radiative coupling of multiple quantum well structures in Bragg geometry, phonon sidebands caused by quantum kinetic effects in single quantum dots, and finally superradiance and interference effects in a quantum dot array. In all considered systems density Rabi flopping occurs as fundamental process for nonlinear excitation and can be observed as coherent population and depopulation of quantum mechanical states. The influence of strong light-coupling and different many-particle interactions on nonlinear dynamical quantities like the population is investigated. Self-induced transmission enhancement is studied in nonlinear propagation setups, where a strong light pulse travels over long distances in a system. Furthermore nonlinear effects of the Coulomb interaction like exciton-induced dephasing in bulk material and generation of entangled states in quantum dots, which constitute a break-down of the Hartree-Fock approximation, are investigated. In summary, several linear and nonlinear optical effects in semiconductor nanostructures of different dimensionality are explored using a general theory which combines the density matrix approach with the solution of Maxwell's equations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-8992
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1296
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-999
Exam Date: 2-Sep-2004
Issue Date: 9-Mar-2005
Date Available: 9-Mar-2005
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Halbleiter
Nanostrukturen
Optik
Propagation
Quantenkinetik
Quantenpunkte
Nanostructures
Optics
Quantum dots
Quantum kinetics
Semiconductor
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