Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2641
Main Title: Impact of electron-phonon scattering on low dimensional nanostructures - Quantum dynamics in graphene and semiconductor quantum dots
Translated Title: Einfluss der Elektron-Phonon Streuung auf niederdimensionale Nanostrukturen - Quantendynamik in Graphen und Halbleiter-Quantenpunkten
Author(s): Milde, Frank
Advisor(s): Knorr, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Nanotechnologie gehört zu den sich am schnellsten entwickelnden Forschungszweigen des 21. Jahrhunderts und führte zu großen Fortschritten, unter anderem, in der Informations- und Datenübertragung. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Dissertation liegt auf der theoretischen Beschreibung fundamentaler Vorgänge in Nanostrukturen, speziell in Halbleitern. Um die Eigenschaften eines bestimmten Materials korrekt voraussagen und somit auch die wichtige Frage beantworten zu können, wie robust und effizient kompakte Halbleiterbauelemente sind, ist es notwendig, das Material, in dem das Bauelement eingebettet ist, in realistischen Betrachtungen mit einzubeziehen. Somit wird hier - im Gegensatz zu vielen wissenschaftlichen Modellen isolierter Quantensysteme - der Fokus zusätzlich auf dissipative Prozesse gelegt. Von besonderem Interesse ist hierbei der Einfluss der Phononen (quantisierte Gitterschwingungen) auf die Dynamik von Ladungsträgern, welche sich in 2-dimensionalem Graphen sowie in 0-dimensionalen Quantenpunkten (QDs) befinden. Zunächst wird in Graphen die Relaxationsdynamik von Elektronen durch Lichtanregung berechnet und die zeitliche Entwicklung der elektronischen Temperatur ermittelt. Die Elektron-Phonon-Kopplung führt in Kombination mit vergleichsweise hohen optischen Phononenergien zu einer schnellen Relaxation der angeregten Elektronen in eine Gleichgewichtsverteilung. Dieser Prozess, getrieben durch Phononemission, führt zeitgleich zu einer nicht-thermischen Besetzung der höchsten optischen Phononmoden. Diese sogenannten heißen Phononen'' verlangsamen merklich die Relaxationsdynamik, da sie Rückstreuprozesse der Elektronen in höhere Energiezustände durch Phononabsorption ermöglichen. Die hier gefundenen Ergebnisse liefern neue Erkenntisse über die ersten Hundert Femtosekunden nach Anregung, ein Zeitbereich, der momentan experimentell nur schwer zugänglich ist. Um die Vielseitigkeit möglicher Anwendungen aufzuzeigen, welche die hier präsentierte Theorie in sich birgt, werden verschiedene Modelle in Halbleiter-QDs näher beleuchtet. Zunächst wird der Einfluss der Elektron-Phonon Streuung auf die optischen Eigenschaften eines einzelnen QDs innerhalb der Kavität eines photonischen Kristalls (PC) untersucht. Bei niedrigen Temperaturen (4 K) zeigt das senkrecht emittierte Lichtspektrum oberhalb der Kavität das bekannte Vakuum-Rabisplitting, hier allerdings mit asymmetrischen Linienformen. Bei Temperaturen oberhalb von 100 K ist das Splitting nicht mehr sichtbar. Bei der Transmission findet man einen charakteristischen Dip der dipol-induzierten Transparenz, die bemerkenswerterweise selbst bei höheren Temperaturen (200 K) noch zu sehen ist. Eine wichtige Ressource für Anwendungen in der Quanteninformation sind verschränkte Photonenpaare auf-Abruf''. QDs wurden bereits in der Vergangenheit als Quelle solcher Paare vorgeschlagen, da sie diese durch Strahlungszerfall von Biexzitonen erzeugen können. Zu diesem Zwecke wird eine detaillierte Analyse des komplexen Zusammenspiels zwischen Photon- und Ladungsträgerkohärenzen durchgeführt, die während einer Kaskade entstehen. Eine Quantenzustandstomographie wird für verschiedene Feinstrukturaufspaltungen vorgenommen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung stimmen mit neueren experimentellen und theoretischen Ergebnissen gut überein. Darauf aufbauend werden Multi-Phononprozesse berücksichtigt, die quantisierte Ladungsträgerzustände an die Benetzungsschicht koppeln und somit effiziente Relaxationskanäle öffnen. Als direkte Konsequenz wird die charakteristische Zerfallszeit der Exzitonenzustände temperaturabhängig. Es zeigt sich, dass für ca. 80 K der Grad der Verschränkung allmählich beeinträchtigt wird und bereits bei 100 K vollständig zerstört ist. Somit stellt dies im Bereich hoher Temperaturen eine fundamentale Grenze für die Erzeugung verschränkter Photonen in GaAs QD-Applikationen dar. Zuletzt wird gezeigt, dass Phononen nicht nur unerwünschte Dekohärenzeffekte aufweisen: Neben der Elektro- und Kathodolumineszenz wird in dieser Arbeit ein neuartiges Schema vorgeschlagen, das die Anregung mittels kohärenter akustischer Wellen ausnutzt. Dieser Prozess treibt Intersublevelübergänge in QDs an und sorgt für eine Umwandlung von akustischer Energie in elektromagnetische auf Nanoskalenlänge. Die hier ausgeführten Berechnungen sagen eine Akustolumineszenz vorher, die sich über einen großen spektralen Bereich, von GHz bis THz, erstreckt. Die berechneten Emissionsspektren enthalten Merkmale von harmonischen Wellen höherer Ordnung, sowie Hyper-Raman Signaturen, die von nichtresonanten Anregungen stammen.
The focus of this thesis lies on the theoretical investigation of low dimensional nanostructures. They are formed when the charge carriers are spatially confined below their de Broglie wavelength. Of particular interest in this thesis is the influence of phonons (quantized lattice vibrations) on the carrier dynamics of strictly two-dimensional graphene and zero-dimensional semiconductor quantum dots (QDs). Using an equation of motion approach, the relaxation dynamics of photo-excited carriers and the temporal evolution of the electronic temperature in graphene is calculated. The intermediately strong electron-phonon coupling combined with the high optical phonon energies of graphene lead to a fast initial relaxation of the excited electrons into equilibrium. This process, driven by phonon emission, in turn creates non-thermal occupations of the highest optical phonon modes. These hot phonons noticeably slow down the subsequent relaxation dynamics as they allow back-scattering of electrons to higher energies. The calculated dynamics provides new insights into the first hundred fs after the excitation, difficult to resolve by experiment. To demonstrate the diversity of possible applications of the techniques presented in this work, several scenarios in semiconductor QDs are investigated. First, the role of electron-phonon scattering on optical properties of a single-QD within a photonic crystal (PC) nanocavity is studied. Within a Green's function approach, a self-consistent optical theory is presented which allows one to explore the cavity-QED regime and light transmission as a function of temperature. The electron-phonon interaction is included up to all orders by calculating the QD susceptibility with the analytical independent Boson model, which is then added into the PC system exactly through a Dyson equation. For low temperatures (4 K), the vertically emitted light spectrum above the cavity displays a familiar vacuum-Rabi splitting. The line shapes are found to be generally asymmetric. At temperatures above 100 K, the splitting becomes lost. In the transmission, the characteristic dip of dipole-induced transparency is found. Remarkably, this feature remains even at higher temperatures (200 K) where the system has left the strong coupling regime. An important feedstock for quantum information applications are on-demand'' entangled photon pairs. QDs have been proposed as a source of entangled pairs exploiting the radiative decay of biexcitons. A detailed analysis of the complex interplay between photon- and carrier coherences occurring during the cascade is presented. For varying fine-structure splittings, a quantum state tomography is performed. Next, multi-phonon processes are included, which couple the quantized carrier states to the wetting layer and open an efficient relaxation channel. Consequently, the decay of the exciton states becomes temperature-dependent. It is shown that at about 80 K, the degree of entanglement starts to be affected and is ultimately lost beyond 100 K. This constitutes a fundamental limit to the high-temperature generation of entangled photons in QD devices. Finally, it is demonstrated that phonons not only lead to undesired decoherence effects. Besides electro- and cathodoluminescence, a novel excitation scheme using coherent acoustic waves is proposed. This process drives intersublevel transitions in QDs and supplies a conversion of acoustic into electromagnetic energy on the nanoscale. The provided analysis predicts acoustoluminescence over a broad spectral range from the GHz up to the THz regime. The calculated emission spectrum contains rich features of high-order harmonics and hyper-Raman peaks stemming from an off-resonant excitation. In all, the work discusses the quantum properties of confined carriers in graphene and semiconductor QDs. In particular, the interaction with phonons is investigated for different applications, yielding new insights into the carrier dynamics in low dimensional nanostructures.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28481
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2938
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2641
Exam Date: 1-Oct-2010
Issue Date: 19-Nov-2010
Date Available: 19-Nov-2010
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Greensche Funktionen
Ladungsträgerdynamik
Quantenoptik
Relaxationsphänomene
Vielteilchenwechselwirkungen
Carrier dynamics
Green's functions
Many-particle interactions
Quantum optics
Relaxation phenomena
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Institut für Theoretische Physik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_2.pdf24.93 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.