Halbleiter-Quantenfilme angeregt mit nicht-klassischen Lichtzuständen: Wechselspiel zwischen photonischen Quanten-Korrelationen und Vielteilchen-Wechselwirkungen in Festkörpersystemen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Torsten Meier; Professorin Dr. Polina Sharapova
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405644111

Im Vergleich zu atomaren Systemen ist die theoretische Beschreibung der optischen Eigenschaften von Volumenhalbleitern und Nanostrukturen wesentlich komplexer, aber auch reichhaltiger und in weiten Bereichen durch die Wahl der Geometrie und der Materialzusammensetzung, z.B. in Quantenfilmen, designbar. Während in Atomen die elektronischen Zustände lokalisiert und diskret sind, führt die periodische Anordnung von Atomen in einem Gitter zu delokalisierten Bloch-Zuständen und der kontinuierlichen elektronischen Bandstruktur. In Volumenhalbleitern und Nanostrukturen wie Quantenfilmen beeinflussen Vielteilchenwechselwirkungen zwischen Elektronen und mit anderen Quasiteilchen wie Phononen die Eigenschaften sehr stark. Dies hat mehrere wichtige Konsequenzen, wie exzitonische Resonanzen, die die lineare optische Absorption nahe der Bandlücke dominieren, und Vielteilchenkorrelationen, z.B. biexzitonische Effekte und Dephasierungs- und Relaxationsprozesse, die aus der Coulomb-Streuung und der Elektron-Phonon-Streuung resultieren.Die Anregung von Halbleitern und Halbleiternanostrukturen mit klassischen Lichtfeldern wurde experimentell und theoretisch intensiv untersucht. Zur Wechselwirkung mit Quantenlicht liegen jedoch wesentlich weniger Erkenntnisse vor. Der Großteil der Literatur beschäftigt sich mit den Emissionseigenschaften, z.B. der Beschreibung der spontanen Lichtemission (Lumineszenz) durch die Kopplung an Vakuumfeldfluktuationen, wobei insbesondere Quantenpunkte (sog. künstliche Atome) aufgrund ihres Potentials für Anwendungen als on-demand-Quellen für einzelne Photonen und verschränkte Photonenpaare große Beachtung gefunden haben. Bisher existieren nur sehr wenige Untersuchungen zur Anregung von Halbleitern mit Quantenlicht und es wurden relativ einfache Fälle betrachtet.Mit unserem Antrag wollen wir diese Lücke füllen und einen vollständig quantisierten und mikroskopischen theoretischen Ansatz entwickeln, der die resonante Wechselwirkung von Halbleiter-Quantenfilmen mit komplexem Quantenlicht, insbesondere mit stark gequetschtem Licht, detailliert beschreiben kann. Nicht-klassisches Licht ist beispielsweise durch eine breite Photonenanzahlverteilung, starke Korrelationen zwischen Photonen, eine Rauschreduzierung unterhalb des Schrotrauschpegels und das Vorhandensein von Orbital-Drehimpulsen höherer Ordnung gekennzeichnet. Die Anregung von Halbleitern wird neue Eigenschaften in die Anregungsdynamik induzieren und es ermöglichen, starke Quantenkorrelationen vom Feldsubsystem in das elektronische Subsystem zu übertragen. Die geplanten Untersuchungen werden dazu beitragen neuartige Eigenschaften von Halbleiterstrukturen zu entdecken, die durch photonische Korrelationen und die gegenseitige Beeinflussung der interagierenden Subsysteme entstehen. Dies kann die Kontrolle des elektronischen Transports und der Eigenschaften solcher Systeme bewirken und zu Vorhersagen neuer physikalischer Phänomene und deren experimenteller Beobachtbarkeit führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation
• Kooperationspartnerin: Professorin Olga Tikhonova