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Arbeitsgruppe Theoretische Halbleiterphysik

 Forschungsprojekte

1. HALBLEITERQUANTENOPTIK

Die Halbleiter-Quantenoptik ist ein innovatives, neues Arbeitsgebiet an der Schnittstelle zwischen Halbleiterphysik und Quantenoptik [eine kleine Übersicht findet man z. B. in unserem Artikel "Quantenoptik in Halbleitern", Physik Journal 7 (2008), Nr. 6, Seite 37]. Im Gegensatz zu der traditionellen Quantenoptik verdünnter atomarer Gase hat man es bei Halbleitern in der Regel mit einem komplizierten Vielteilchensystem zu tun, das von der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern bestimmt wird. In unserer Arbeitsgruppe kombinieren wir quantenoptische und festkörpertheoretische Methoden mit dem Ziel der konsistenten mikroskopischen Beschreibung der Licht-Materie- und der Vielteilchen-Wechselwirkungseffekte in niederdimensionalen Halbleiter-Nanostrukturen. Neben der systematischen Theorieentwicklung interessieren wir uns besonders für diejenigen Phänomene, zu deren Verständnis die semiklassische Näherung, d. h. die quantenmechanische Beschreibung der Materialanregungen unter dem Einfluss eines klassischen Lichtfeldes, nicht ausreicht. In den letzten Jahren haben wir uns z. B. mit der Verschränkung einzelner Photonen mit dem Halbleiter-Vielteilchensystem beschäftigt [Physical Review Letters 93, 067401 (2004)], wir haben das Konzept der quantenoptischen Spektroskopie vorgeschlagen [Progress in Quantum Electronics 30, 155 – 296 (2006)] und den Grenzfall der starken Licht-Materiekopplung in Quantenpunktsystemen analysiert [Physical Review Letters 101, 097401 (2008)]. Laufende Untersuchungen beschäftigen sich mit der Beschreibung der spontanen Lichtemission unter gleichzeitiger Wechselwirkung mit Phononen, der Analyse durch Rauschen korrumpierter Korrelationsmessungen, sowie der Beschreibung und Weiterentwicklung quantenoptischer Spektroskopie.

Aktuelle Forschungsergebnisse

In der Quantenoptik spricht man von "starker Kopplung" wenn durch die quantenmechanische Wechselwirkung die separate Identität der optischen und Materialresonanzen aufgehoben wird. In der Praxis bringt man hierfür geeignete Materie in einen Resonator hoher Güte, d. h. in eine hochwertig verspiegelte Umgebung, aus der das Licht nur schwer entweichen kann. Als Halbleiter-Materialien kommen hierfür speziell sogenannte Quantenpunkte in Frage, d. h. nanometergroße Halbleiter-Strukturen, in denen die Elektronen eingefangen sind und quantisierte Zustände annehmen. In jüngster Zeit haben weltweit viele Forschungsgruppen versucht, derartige Quantenpunktsysteme in hochqualitativen Resonatoren herzustellen und zu vermessen. Trotz all dieser Bemühungen steht der eindeutige Nachweis der starken Kopplung allerdings noch aus.

Eines der Hauptprobleme besteht darin, dass Quantenpunkte - im Gegensatz zu den Atomen in den kalten Gasen - nicht einfach von ihren Umgebungseinflüssen isoliert werden können. Dadurch wird die Ankopplung an das Lichtfeld gestört, und es kommt zur Dephasierung, d. h. dem Verlust der genauen Information über die zeitliche Entwicklung der Signale. Effektiv verbreitert diese Dephasierung die optischen Resonanzen, so dass der Effekt der starken Kopplung entweder ganz verschwindet, oder zumindest nicht mehr einfach mit den üblichen Methoden nachgewiesen werden kann.

Zur Überwindung dieser Problematik haben wir ein neuartiges Konzept entwickelt, mit dem selbst in den experimentell bereits vorhandenen Systemen die echte quantenmechanische starke Kopplung nachgewiesen werden kann. Diese Ergebnisse wurden in dem Artikel "Characterization of strong light-matter coupling in semiconductor quantum-dot microcavities via photon-statistics spectroscopy" (Charakterisierung der starken Licht-Materiekopplung in Halbleiter-Quantenpunkt-Mikroresonatoren mittels Photonenstatistikspektroskopie) in Physical Review Letters (2008) veröffentlicht. In dieser Arbeit identifizieren wir die optimalen optischen Anregungsbedingungen (Lichtintensität und -frequenz) und zeigen, dass bei Messungen der so genannten Resonanzfluoreszenz, genau genommen der Statistik des von dem gekoppelten System spontan emittierten Lichtes, eine sehr starke Resonanz auftritt. Die experimentelle Beobachtung dieser Resonanz, die trotz der realistisch vorhandenen Depahsierungsprozesse relativ leicht möglich sein sollte, ist dann der definitive Nachweis der echten quantenoptischen starken Kopplung. Insgesamt gesehen steht die Halbleiter-Quantenoptik im Vergleich zur atomaren Quantenoptik zwar noch am Anfang, aber es konnten doch bereits eine Reihe nicht-klassischer Effekte experimentell beobachtet und theoretisch berechnet werden. Wir bearbeiten daher ein breit gefächertes Feld aktueller Forschungsthemen. Generell kann man die momentan untersuchten Halbleiter-Nanostrukturen so einordnen, dass Quantenpunktsysteme in ihrem Verhalten deutliche Analogien zu atomaren Systemen zeigen, wohingegen bei Quantenfilmen die Coulomb-Korrelation der Ladungsträger die entscheidende Rolle spielt. Da man Quantenoptik in atomaren Systemen in gewissem Sinne als Management der Gesamtwellenfunktion betrachten kann, verstehen wir die Halbleiter-Quantenoptik als Kontrolle der Licht-Materie-Vielteilchenkorrelationen.

Zuletzt aktualisiert: 14.04.2010 · Schmid Renate, Physik, 21337

 
 
 
Fb. 13 - Physik

AG Theoretische Halbleiterphysik - Sekretariat: R. Schmid, Renthof 5, D-35032 Marburg
Tel. +49 6421-28-21337, Fax +49 6421-28-27076, E-Mail: renate.schmid@physik.uni-marburg.de

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