Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5081
Main Title: Theory of optical and dissipative processes in quantum dots
Subtitle: intraband spectroscopy and photon correlations
Translated Title: Theorie optischer und dissipativer Prozesse in Quantenpunkten
Translated Subtitle: Intrabandspektroskopie und Photonkorrelationen
Author(s): Kuhn, Sandra Cecilia
Advisor(s): Knorr, Andreas
Richter, Marten
Referee(s): Knorr, Andreas
Renger, Thomas
Richter, Marten
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis comprises a theoretical analysis of optical and dissipative processes in quantum dot systems. Exploiting optical transitions between bound quantum dot states and unbound continuum states of the surrounding host medium, an all-optical approach is presented, which offers a direct access to the spatial shape of the quantum dot wave functions. In particular, the electron and hole wave functions can be extracted separately from measured bound to continuum intraband absorption spectra. To investigate Coulomb induced effects on bound to continuum intraband transitions, a theoretical analysis based on a density matrix formalism is presented. To deal with the various continuum states and thus, with the high number of relevant Coulomb coupling elements, a Poisson Green's function method is developed for an efficient numerical calculation of the Coulomb coupling constants. In general, this numerical method is applicable to a variety of physical problems, since it does not presuppose specific symmetries of the Coulomb potential or the wave functions. Coulomb influenced bound to continuum intraband absorption spectra are calculated for several initial occupations of the quantum dot such as trions, biexcitons or excitons, resulting in characteristic spectral signatures. Particularly, a splitting of the absorption spectrum indicates the formation of bound to continuum excitons consisting of a localized carrier inside the quantum dot and a delocalized carrier of the continuum. The spatial extension of these bound excitonic states can increase up to 100 nm, which is very large in comparison to the spatial extension of the quantum dot of 10 nm. These large extensions provide the basis for a new electronic coupling between distant quantum dots. To study the coupled electron-phonon interactions, which affect intraband transitions between bound quantum dot states, a non-perturbative equation of motion approach is presented. First results indicate the formation of polaron states. The derived equations pave the way for a variety of further studies, e.g., by varying the coupling elements, the temperature, the intensity of the pump pulse or the time delay between pump and probe pulse. Furthermore, this thesis includes a theoretical study of photon-photon correlation functions of photons emitted in two non-equivalent spatial directions with different light-matter couplings. Based on numerical results of the correlation functions, a single quantum dot-micropillar device is proposed acting as quantum light source with a single photon emission in the strong coupling direction and a two photon emission in the weak coupling direction. Spatially crossed correlation functions including both spatial directions indicate the temporally ordered emission of two photons within a defined time interval. Based on this, a construction of a heralded single photon source is proposed. In particular, to describe electrically pumped quantum dot systems, a hybrid density matrix approach is presented, which combines conventional correlation expansions with an exact diagonalization scheme. The approach uses a projection operator technique to describe hybrid systems such as quantum dots embedded in a bulk. In the limit of an equilibrated continuum, the resulting hybrid density matrix equations reproduce well known results. However, the hybrid approach is capable of treating the continuum dynamically and to go beyond the Markov approximation typically used in Lindblad formalism. The method is applicable to a variety of systems as well as interaction mechanisms, such as electron-phonon interactions.
Diese Arbeit beinhaltet eine theoretische Analyse optischer und dissipativer Prozesse in Quantenpunktsystemen. Unter Ausnutzung optischer Übergänge zwischen gebundenen Quantenpunktzuständen und ungebundenen Kontinuumszuständen wird eine Methode entwickelt, die direkten Zugang zur räumlichen Form der Quantenpunktwellenfunktion bietet. Insbesondere können die Elektron- und Lochwellenfunktionen separat aus einem gemessenen Intrabandabsoptionsspektrum rekonstruiert werden. Um Coulomb induzierte Effekte auf Intrabandübergänge zwischen gebundenen und ungebundenen Zuständen zu untersuchen, wird eine auf dem Dichtematrixformalismus basierende Theorie vorgestellt. Dabei wird zur Bewältigung der zahlreichen für die Wechselwirkung relevanten Kontinuumszustände und somit Coulomb-Kopplungselemente eine numerische Methode entwickelt, welche eine effiziente Berechnung mittels Greenschen Funktionen erlaubt. Diese numerische Methode ist allgemein anwendbar auf eine Vielzahl physikalischer Probleme, da sie keine spezifischen Symmetrien des Coulomb-Potentials oder der Wellenfunktionen voraussetzt. Für mehrere Anfangsbesetzungen des Quantenpunktes, wie Trionen, Exzitonen oder Biexzitonen, werden Coulomb beeinflusste Absorptionsspekten berechnet. Eine Aufspaltung der Absorptionspeaks weist auf exzitonische Zustände hin, die aus einem Ladungsträger des Quantenpunkts und aus einem des Kontinuums bestehen. Deren große Ausdehnung (bis zu 100 nm) kann verwendet werden, um eine Kopplung zwischen räumlich getrennten Quantenpunkten zu erzielen. Um den Einfluss von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen auf Intrabandübergange zwischen gebundenen Quantenpunktzuständen zu untersuchen, werden ohne Verwendung störungstheoretischer Ansätze Bewegungsgleichungen hergeleitet. Erste Ergebnisse weisen auf eine Ausbildung von Polaronzuständen hin. Die hergeleiteten Gleichungen ermöglichen eine Vielzahl weiterer Untersuchungen, z.B. durch Variation der Kopplungselemente, Temperatur, Intensität des Pumppulses oder Verzögerungszeit zwischen Pump-und Testpuls. Desweiteren beinhaltet diese Arbeit eine theoretische Untersuchung der Photon-Photon-Korrelationsfunktionen von Photonen, die in zwei unterschiedliche Raumrichtungen mit verschiedenen Licht-Materie Wechselwirkungen emittiert werden. Basierend auf den numerischen Ergebnissen der Korrelationsfunktionen wird ein Quantenpunkt-Micropillar Bauelement als Lichtquelle vorgeschlagen, die einzelne Photonen in die stark und zwei Photonen in die schwach gekoppelte Raumrichtung emittiert. Räumlich gemischte Korrelationsfunktionen, bei denen beide Raumrichtungen involviert sind, zeigen eine zeitlich geordnete Emission zweier Photonen innerhalb eines definierten Zeitbereiches. Basierend auf diesen Ergebnissen wird eine Konstruktion einer heralded single photon source vorgeschlagen. Insbesondere zur Beschreibung elektrisch gepumpter Quantenpunktsysteme wird ein Hybrid-Dichtematrixansatz vorgestellt, der konventionelle Korrelationsentwicklungen mit exakten Diagonalisierungsverfahren kombiniert. In der Methode werden Projektionsoperatoren verwendet, um Hybrid-Systeme wie Quantenpunkte in Bulkmaterialien zu beschreiben. Im Grenzfall eines Kontinuums im Gleichgewicht reproduzieren die Hybrid-Dichtematrixgleichungen bekannte Ergebnisse. Der Hybrid-Ansatz bietet eine dynamische Beschreibung des Kontinuums jenseits der Markov-Näherung, die typischerweise im Lindblad-Formalismus verwendet wird, und ist anwendbar auf viele Systeme und Wechselwirkungen wie die Elektron-Phonon-Kopplung.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5406
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5081
Exam Date: 26-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 8-Apr-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): quantum dot
dissipative processes
intraband spectroscopy
photon correlations
Quantenpunkt
dissipative Prozesse
Intrabandspektroskopie
Photonkorrelationen
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Theoretische Physik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
kuhn_sandra.pdf21.5 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


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