Microscopic Theory of Photon-Correlation Spectroscopy in Strong-Coupling Semiconductors

While many quantum-optical phenomena are already well established in the atomic systems, like the photon antibunching, squeezing, Bose-Einstein condensation, teleportation, the quantum-optical investigations in semiconductors are still at their beginning. The fascinating results observed in the atom...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
1. Verfasser: Schneebeli, Lukas
Beteiligte: Kira, Mackillo (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2009
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Inhaltsangabe:
  • Während viele quantenoptische Phänomene in kalten Atomgasen gut etabliert sind, wie der Einzelphotonenemission (photon antibunching), dem gequetschten Licht (squeezed light), der Bose-Einstein Kondensation, und der Teleportation, stehen die quantenoptischen Untersuchungen in Halbleitern erst noch am Anfang. Die faszinierenden Resultate, die man in den atomaren Systemen erzielt hat, inspirieren die Physiker, auch ähnliche quantenoptische Effekte in Halbleitersystemen nachzuweisen. Im Gegensatz zur Quantenoptik mit verdünnten Atomgasen hat man es im Halbleiter mit einem komplizierten Vielteilchenproblem zu tun, welches durch die Coulombwechselwirkung zwischen den Elektronen und Löchern und durch die Kopplung mit der Umgebung des Halbleitermaterials dominiert wird. Dies ist der Grund dafür, dass der experimentelle Nachweis ähnlicher quantenoptischer Effekte in Halbleitern sehr schwierig ist. Jedoch gibt es schon Experimente welche nichtklassische Effekte in Halbleitern nachgewiesen haben. Speziell hat man mit Halbleiter Quantenpunkten die Einphotonenemission und die Erzeugung von polarisations-verschränkten Photonenpaaren gemessen. In der Tat stellen atomare- und Halbleiterquantenpunkt-Systeme innerhalb einer Mikrokavität geeignete Plattformen dar, in denen man systematische quantenoptische Untersuchungen als auch Pionierarbeit hinsichtlich Anwendungen in der Quanteninformation durchführen kann. Ein anderes interessantes Gebiet ist das der starken Licht-Materie Kopplung, in welcher die Licht-Materie Wechselwirkung stärker ist als die Dekohärenzrate des Atoms oder des Quantenpunkts und der Kavität. Dies resultiert in eine reversible Dynamik zwischen Licht und Materieanregung. In diesem Regime der starken Licht-Materie Kopplung ist die Jaynes-Cummings Leiter vorhergesagt und zeigt eine photonenzahlabhängige Aufspaltung der neuen Polariton-Zustände. Obwohl der halbklassische Effekt der Vakuum-Rabi-Aufspaltung schon experimentell beobachtet wurde in Quantenpunkten, steht der eindeutige Nachweis der quantenmechanischen Jaynes-Cummings Aufspaltung hauptsächlich wegen Dephasierungseffekten noch aus. Es ist klar, dass die Beobachtung der Jaynes-Cummings Leiter in Quantenpunkten ein bedeutender Schritt wäre auf dem Gebiet der Quantenoptik in Halbleitern. Hier ist auch wieder zu erwähnen, dass die Anstrengungen in Quantenpunkten durch die atomaren Systeme vorangetrieben werden, in denen man nicht nur die Vakuum-Rabi-Aufspaltung, sondern auch den Zwei-Photonen Polariton (second rung) gemessen hat, z.B. mittels der direkten Spektroskopie und der Photonenkorrelationsmessungen. In dieser Dissertation wird gezeigt, dass spektralaufgelöste Photonenkorrelations-Messungen der Resonanzfluoreszenz von realistischen Halbleiter-Quantenpunkten einen eindeutigen Nachweis des Zwei-Photonen Polaritons liefern können. Eine mikroskopische Theorie wird verwendet, um das Auftreten des Zwei-Photonen Polaritons und dessen optimale Anregungsbedingungen herauszuarbeiten. Das berechnete Photonenkorrelations-Spektrum zeigt eine gigantische, experimentell robuste, Resonanz an der Emissionsfrequenz des Zwei-Photonen Polaritons. Die Resonanzfluoreszenz-Gleichungen werden hergeleitet und gelöst im Rahmen einer vollquantisierten Multimoden-Theorie unter Anwendung einer Cluster Entwicklungsmethode. Ein reduziertes Modell wird hergeleitet, um den Ursprung der Auto- und Kreuzkorrelationen in der Zwei-Photonenemission der Resonanzfluoreszenz zu erklären. Diese Resonanzen werden mit dem Zwei-Photonen Polariton der Jaynes-Cummings Leiter in Verbindung gebracht. Die Gültigkeit des reduzierten Modells wird mit Hilfe von numerischen Rechnungen bestätigt. Weiterhin zeigt der Formalismus die direkte Verbindung zwischen der gequetschten Lichtemission und den Zuständen der Jaynes-Cummings Leiter in optisch angeregten Halbleitern.